《Next Materials》：Effect of chitosan and aragonite derived from cuttlebone waste on the bioactivity of bioactive glass nanoparticles (55S5): Physicochemical evaluation and cytotoxic investigations
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可持续生物材料的开发对于满足骨组织工程与修复领域外科医生及产业的需求已变得至关重要。本研究旨在利用墨鱼加工废弃物开发基于壳聚糖/文石/纳米生物玻璃（CHS/ArgS/NBG）的可持续生物复合材料。研究人员通过冷冻干燥法合成了不同生物复合材料，并采用傅里叶变换红
可持续生物材料的开发对于满足骨组织工程与修复领域外科医生及产业的需求已变得至关重要。本研究旨在利用墨鱼加工废弃物开发基于壳聚糖/文石/纳米生物玻璃（CHS/ArgS/NBG）的可持续生物复合材料。研究人员通过冷冻干燥法合成了不同生物复合材料，并采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）进行物理化学表征；通过在模拟体液（SBF）中浸没开展体外生物活性评价，利用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）技术研究复合材料与SBF间的离子交换，并借助间充质干细胞共培养评估细胞毒性。结果表明，将17%源自墨鱼骨的壳聚糖引入生物复合材料，可提升纳米生物玻璃与文石的生物活性。CHS/ArgS/NBG生物复合材料表面形成生物活性磷灰石层的能力优异，经物理化学分析确认。该复合材料培养72小时后细胞存活率显著（≥90%），凋亡率较低（<11%），显示良好生物相容性与耐受性。综上，本研究凸显了墨鱼骨废弃物在开发面向骨组织工程应用的可持续杂化复合生物材料方面的潜力。
研究背景与立项依据
骨质疏松症作为全球重大健康问题，因事故等导致的骨量丢失常需骨移植或骨填充，现有钙磷酸盐、碳酸钙或生物活性玻璃等市场材料仍无法完全满足外科与制造需求，且制造成本高。天然废弃产物若具备与骨基质相近的生物相容性、生物活性及机械理化性质，则有望短期至中期替代合成材料。墨鱼骨是廉价广泛存在的复合生物材料，摩洛哥部分沿海地区年废弃几丁质副产物约170万吨，其由文石型碳酸钙与β-几丁质-蛋白复合体构成，体内外均表现优良生物相容性、降解性及成骨潜力。天然骨为羟基磷灰石纳米晶与胶原纤维杂化分级结构，仿生需组合多种材料设计纳米结构复合材料。前期工作已证壳聚糖与文石（同源自墨鱼骨）可刺激体外骨生长，而生物活性玻璃（如45S5、46S6、55S5）浸于生理溶液可形成类骨磷灰石层，其中溶胶-凝胶或乳液法合成的纳米生物玻璃（NBG）因高比表面积更具促成骨潜力。尽管如此，尚无研究将墨鱼骨废弃物同时作为壳聚糖与文石源，并与NBG构建可持续杂化复合材料，本研究据此以循环经济思路填补该空白。论文发表于《Next Materials》。
主要关键技术方法
研究人员自摩洛哥Marrakech-Safi地区（32.3°N, 9.2°W）收集墨鱼骨废弃物，背侧提取β-几丁质再脱乙酰得壳聚糖（Mv=95000 g/mol，DDA=96.15%），腹侧分离文石；以乳液法合成55S5 NBG（55 mol% SiO?-40 mol% CaO-5 mol% P?O?），经离心洗涤620℃煅烧得白色粉末；按17 wt%壳聚糖固定比例，通过超声、冷冻与冻干构建CHS/NBG、NBG/ArgS、CHS/NBG/ArgS三组生物复合材料。表征端采用FT-IR、XRD、SEM及ICP-OES；生物活性评价为37℃、65 rpm下将30 mg粉末浸于60 mL SBF（3/7/15/30天）；细胞端以脐带与脂肪来源间充质干细胞（MSCs）及皮肤成纤维细胞为模型，70 μg/mL剂量共培养72 h，流式细胞术（PI与7-AAD标记）定量存活率与凋亡率。
研究结果
3.1 物理化学性质研究
FT-IR显示三组复合材料分别保留NBG的Si–O–Si（468 cm?1）、P–O（580.88、1075.92 cm?1）带，CHS/NBG与CHS/NBG/ArgS出现壳聚糖酰胺I/II（1647.91、1327.30 cm?1）及文石C–O（714 cm?1）特征峰，NBG宽O–H带衰减，提示三组元相互作用。XRD中NBG呈15°–35°(2θ)非晶晕，NBG/ArgS中文石31.16°与41.49°峰消失、部分晶面反射减弱，CHS/NBG与CHS/NBG/ArgS中壳聚糖10°、20°峰消失，三元组在6.5°出新峰，表明非晶-结晶相互作用及玻璃陶瓷化倾向。SEM下NBG为团聚球形颗粒（>100 nm），CHS/NBG呈片层消失的聚集-颗粒混合形貌，NBG/ArgS为含文石晶体的异质结构，CHS/NBG/ArgS为致密多孔表面，利于细胞黏附。
3.2 无细胞条件下复合材料体外生物活性评价
3.2.1 磷灰石层XRD分析：浸SBF 3天起各组均现羟基磷灰石（002）、（211）峰，CHS/NBG与CHS/NBG/ArgS峰强增长更快，15天时三元组峰强最高，证壳聚糖加速磷灰石结晶。
3.2.2 磷灰石层FT-IR分析：3天起复合材料在566、609、1035 cm?1现磷酸根带，879、1443 cm?1现碳酸根带，均强于单纯NBG，说明壳聚糖与文石促进磷灰石层生成。
3.2.3 磷灰石层SEM形态分析：3天起复合材料表面羟基磷灰石晶体覆盖优于NBG，15天近全覆厚层，证NBG+CHS+ArgS加速矿化。
3.2.4 复合材料与SBF离子交换：钙浓度上，NBG 3天升至114 ppm后降，CHS系仅升至105–106 ppm后快速消耗，示壳聚糖–NH?/–OH络合Ca2?减缓扩散；磷浓度各组3天内骤降（NBG 31→7 ppm），15天近耗尽，CHS氨基提供成核位点促沉淀；硅浓度NBG 3天0→50 ppm，30天66 ppm，CHS/NBG与CHS/NBG/ArgS仅28与22 ppm，文石与壳聚糖矩阵共同抑制硅酸盐网络水解，调控离子释放动力学。
3.3 复合材料体外细胞毒性
3.3.1 72 h显微观察：成纤维细胞、脐带MSCs（CSMCO）、脂肪MSCs（CSMAD）形态舒展，无毒性收缩。
3.3.2 细胞活力与密度：成纤维与CSMCO活力80–90%，CSMAD≥65%；CSMCO与CSMAD在复合材料存在下细胞数较对照上升，成纤维略降，示间充质系细胞更受益。
3.3.3 PI流式凋亡：CHS/NBG/ArgS使CSMAD凋亡降11.60%、成纤维降5.47%，CSMCO升11.88%；各复合材料凋亡率相对对照变动1%–11%，无显著毒性。
讨论与结论翻译
讨论指出，尽管本研究显现了杂化纳米配方在理化性质、生物活性与细胞相容性上的前景，临床转化前仍需标准化体内外模型评估长期生物响应、系统安全性、降解行为及生态毒性。结论部分：本研究凸显CHS/NBG/ArgS生物复合材料的生物活性与安全性，支持其作为可持续骨移植材料用于组织再生的潜力。SBF孵育后材料表面沉积羟基磷灰石层证实其化学反应性，17%壳聚糖的加入增强了纳米生物玻璃与文石的生物活性，该活性由促进磷灰石层形成的复杂相互作用与离子交换所印证。细胞毒性测试显示72 h后高细胞存活率（80–90%）与低凋亡率（1–11%），具良好生物相容性；CHS/NBG/ArgS对CSMCO与CSMAD的亲和优于成纤维细胞，增强其医学再生应用潜力。该三元生物复合材料是骨再生与组织工程中颇具前景的可持续生物材料。未来需DLS/TEM定量粒径、补骨系细胞体外实验及骨位点在体活性验证。
