《Sustainable Materials and Technologies》：Harnessing biomineralization coatings for tissue engineering scaffolds and implants: A comprehensive review
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摘要生物矿化涂层已成为增强组织工程（TE）支架和植入物生物活性与功能性能的一种有前景的策略。这些涂层受天然矿化过程启发，提供了促进细胞黏附、增殖、细胞外基质（ECM）沉积和矿物生长的生物活性界面。本综述总结了诱导生物矿化所采用的机制框架和合成策略，包括天然和仿生途径、晶体成核
摘要
生物矿化涂层已成为增强组织工程（TE）支架和植入物生物活性与功能性能的一种有前景的策略。这些涂层受天然矿化过程启发，提供了促进细胞黏附、增殖、细胞外基质（ECM）沉积和矿物生长的生物活性界面。本综述总结了诱导生物矿化所采用的机制框架和合成策略，包括天然和仿生途径、晶体成核过程、离子交换机制以及蛋白质介导的矿物沉积。文中讨论了多种涂层方案，包括磷酸钙（CaP）基涂层、生物活性玻璃（BAG）、聚合物-无机杂化材料、蛋白质和肽介导的涂层以及离子掺杂多功能涂层，并从其结构特征、功能性质和生物医学应用方面进行了阐述。对调控涂层诱导生物矿化的关键因素，包括酶、ECM组分、生长因子（GF）、生物活性肽和多糖，进行了分析，探讨其在控制矿物成核和增强支架性能方面的作用。文中重点介绍了此类涂层的功能影响，包括提高骨传导性、骨诱导性、血管化、抗菌效果、机械增强和可控治疗性递送。本综述整合了机制见解、涂层的多样性、影响因素和转化应用，为生物矿化涂层提供了全面视角。
引言
生物矿化是一种受到精密调控的生物过程，通过该过程，生物体能够产生具有精确分级结构和成分结构的矿化组织，包括骨骼和牙齿[1]。在此过程中，有机细胞外基质（ECM）提供了一种结构框架，引导矿物晶体的成核、组织和生长[2]。受这些天然机制的启发，仿生矿化策略已成为组织工程（TE）中一种有效的方法，可增强支架的生物活性、促进骨整合并改善再生效果[3]、[4]。诱导生物矿化的涂层创造了生物活性界面，促进细胞黏附、增殖、ECM沉积和组织再生，从而改善植入物的长期性能[5]。矿物形成受物理化学和生物因素复杂交互作用的控制。在天然组织中，有机基质、离子运输和蛋白质介导的成核共同调控矿物沉积[6]、[7]。仿生方法旨在受控的体外条件下复制这些机制，从而在支架表面形成类骨矿物层[8]。为此，已开发了多种涂层技术，包括溶液浸渍法、溶胶-凝胶法、电沉积法和层层组装法（LbL），以制备具有特定结构和生物功能的涂层[9]。
已有广泛类型的生物矿化涂层被研究用于再生医学领域，包括磷酸钙（CaP）、生物活性玻璃（BAG）、聚合物-无机杂化材料、蛋白质和肽介导的涂层以及离子掺杂多功能涂层。每种涂层类型提供不同的物理化学和生物学信号，调控矿物生长、表面特性和细胞-材料相互作用。此外，将多种材料类别集成到多功能涂层中，扩展了优化支架性能和实现协同生物效应的可能性[10]、[11]。涂层诱导的生物矿化还受到生物组分的进一步调控，包括酶、ECM蛋白质、生物活性肽、生长因子（GF）和多糖，这些组分影响矿物成核和支架生物活性[12]、[13]。除促进矿物形成外，这些分子还增强了骨传导性、骨诱导性、血管生成、抗菌活性和免疫调节。因此，它们的协同相互作用在开发具有改善再生潜力的多功能涂层方面发挥着关键作用[14]、[15]。生物矿化涂层的优势超越了结构增强。它们增强了骨整合、刺激血管化、提供抗菌保护并实现治疗性药物的可控递送[16]、[17]。因此，它们已被广泛应用于骨、软骨和骨软骨组织工程，以及牙科、牙周和颅面再生。因此，全面理解生物矿化机制、涂层设计和生物调控之间的关系，对于开发具有优越再生性能的下一代支架至关重要[12]。
本综述聚焦于控制涂层诱导生物矿化的因素及其对支架和植入物性能的影响。与以往主要涉及个别涂层系统或材料类别的综述不同，本工作将生物矿化机制、合成策略、涂层技术、涂层类型、生物调控因素和生物医学应用整合到一个统一的框架中。通过提供这种全面的视角，本综述旨在支持生物矿化支架和涂层的理性设计，以推动组织工程和再生医学的未来进展。图1总结了调控涂层诱导生物矿化的关键因素及其对支架和植入物性能的影响。该图展示了生物分子调控因子、涂层策略和所产生的生物功能之间的关系，突出了这些相互关联的组成部分如何为再生医学中的生物矿化平台的理性设计做出贡献。
过去十年中，生物矿化涂层及其调控因素的研究迅速扩展，反映了其在组织工程和植入物领域日益增长的应用兴趣（图2A）。随着机制理解和功能性能的进步，该领域已从早期矿化组织形成的研究发展到仿生CaP涂层、BAG涂层、肽介导的矿化、离子掺杂多功能系统，以及最近出现的智能刺激响应涂层。图2B突出了塑造生物矿化涂层研究发展进程的重大科学技术里程碑，并为当前和未来的再生生物材料发展奠定了基础。
章节摘要
天然与仿生矿化途径
天然生物矿化是骨骼和牙齿等矿化组织形成的基础，通过精密调控的生物过程实现[18]。骨是一种复杂的有机-无机复合材料，主要由I型胶原蛋白（COL I）纤维和低结晶度的碳酸羟基磷灰石（HAp）纳米晶体组成[19]、[20]。在纳米尺度上，COL纤维提供了引导纤维内和纤维外矿物沉积的有机结构模板[21]。由此形成的HAp相增加了
生物矿化涂层的多样性
生物矿化涂层的多样性反映了模拟、调控或增强骨矿物形成的广泛策略。尽管这些涂层系统具有共同的提高骨传导性和促进骨-植入物整合的目标，但它们在启动和控制矿物沉积的机制方面存在显著差异。一般而言，基于生物矿化的涂层系统可分为三大机制类别：(i)被动型
影响涂层诱导生物矿化的因素
涂层诱导的生物矿化受材料性质、生物组分和生化信号通路之间复杂交互作用的控制。矿化ECM的形成和成熟受多种因素影响，包括掺入的生物活性分子、治疗性离子、表面化学性质、纳米形貌、润湿性、机械性能以及涂层降解行为。这些参数调控蛋白质吸附、细胞黏附、增殖和成骨
对支架和植入物性能的功能影响
矿化涂层通过提供骨传导性以及在某些系统中骨诱导性信号，增强了可降解支架和永久性植入物的性能。通过重现天然骨的无机成分和矿物微环境，这些生物活性表面促进了类骨界面的形成，有利于骨愈合、组织整合和植入物的长期稳定性。除直接支持成骨外，矿化涂层还可以被设计用于
矿化涂层的生物医学应用
矿化涂层通过在一个生物材料界面中整合结构支撑、生化信号传导和多功能生物活性，大幅拓展了支架和植入物在组织工程领域的应用。通过重现天然骨无机相的关键特征，这些涂层可以增强细胞黏附和成骨活性，促进组织再生，并提供治疗性分子的局部递送。它们可调节的成分、微观结构和
转化与临床视角
尽管生物矿化涂层在增强骨整合、免疫调节、抗菌活性以及组织再生方面显示出巨大潜力，但其临床转化仍面临挑战。从概念验证研究过渡到临床批准的支架和植入物，需要在可规模化且可重复的制造工艺、长期体内稳定性、涂层-基底整合以及法规合规性方面取得进展。成功的商业化还
结论
生物矿化涂层已成为增强组织工程中支架和植入物生物学和功能性性能的多功能策略。通过重现天然矿化的关键方面，这些涂层创造了生物活性界面，促进细胞黏附、成骨分化、ECM沉积和矿化组织形成。多种涂层系统，包括CaP、BAG、有机-无机杂化复合材料、蛋白质和肽基质以及
CRediT作者贡献声明
Melika Mansouri Moghaddam：撰写–审阅与编辑、撰写–初稿、正式分析、数据整理。Helia Heydarinasab：撰写–审阅与编辑、撰写–初稿、方法论、调查研究。Hossein Eivaz Mohammadloo：撰写–审阅与编辑、撰写–初稿、监督、资源、方法论、调查研究。Bahram Ramezanzadeh：撰写–审阅与编辑、监督、资源、项目管理、概念构思。Kalim Deshmukh：撰写–审阅与
利益冲突声明
作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
使用了AI辅助编辑工具来改善语法、可读性和语言清晰度。未使用任何AI工具生成科学内容、分析或结论。
Melika Mansouri Moghaddam|Helia Heydarinasab|Hossein Eivaz Mohammadloo|Bahram Ramezanzadeh|Kalim Deshmukh
德黑兰阿米尔卡比尔理工大学（德黑兰理工学院）生物医学工程系，德黑兰，伊朗
