电纺聚羟基丁酸-五氧化二铌薄膜作为骨组织工程的潜在支架材料

《Materials Today Communications》：Electrospun membranes of polyhydroxybutyrate–niobium pentoxide as potential scaffolds for bone tissue engineering

骨组织工程中PHB-Nb?O?复合纤维的制备及其生物活性研究。通过电纺制备不同Nb?O?含量（1-6 wt%）的PHB纳米纤维，优化电纺参数获得均匀纤维结构。SEM显示纤维直径降低16%，FTIR-ATR证实Nb?O?与PHB非晶相物理互作。DSC和WAXD分析表明添加Nb?O?使结晶度下降，但杨氏模量提升至85.5 MPa（纯PHB为32.7 MPa）。体外实验显示Nb?O?促进hBMSCs成骨分化，ALP活性及RUNX2、OCN等基因表达浓度依赖性增强，PHB-Nb6效果最优，且无细胞毒性。

　　本研究围绕生物仿生电纺膜的制备及其在骨组织工程中的应用展开，重点探讨了聚羟基丁酸酯（PHB）与不同含量的二氧化铌（Nb?O?）复合纤维的制备过程，并系统分析了Nb?O?对纤维物理化学性质和生物活性的影响。随着医学技术的发展，组织工程作为修复受损组织和恢复其自然功能的一种新兴策略，近年来受到了广泛关注。特别是在骨组织再生领域，理想的支架材料不仅要具备良好的机械性能以适应骨缺损区域，还需具备优异的生物相容性和适宜的降解特性，以支持细胞生长和组织重建。此外，支架材料还需具备气体交换能力，并能在体内缓慢降解，以便细胞再生完成后被新生组织替代。电纺技术因其能够制备出具有多层结构、可控孔径和高度仿生性的纤维，成为制备骨组织工程支架材料的热门方法之一。

在本研究中，研究人员开发了一种基于PHB和Nb?O?的新型复合纤维支架。PHB是一种从微生物中提取的天然高分子材料，因其具有良好的生物相容性、可降解性和一定的机械性能，被广泛用于生物医学领域。然而，PHB在骨组织工程中的应用仍面临机械性能不足和骨诱导能力有限等挑战。因此，研究者尝试通过引入Nb?O?来增强PHB纤维的性能，同时赋予其生物活性。Nb?O?作为一种具有良好生物相容性和促进细胞活性的无机材料，已被广泛研究用于生物医学应用。它能够增强细胞附着、分化和增殖，并促进羟基磷灰石晶体的生长，提高碱性磷酸酶（ALP）活性。此外，Nb?O?还显示出比钛合金和不锈钢更高的生物活性，这使其成为一种有潜力的生物材料。

研究团队首先通过球磨法对Nb?O?粉末进行处理，以获得更细的颗粒。随后，利用动态光散射（DLS）技术分析了颗粒的尺寸分布和ζ电位，发现处理后的Nb?O?颗粒平均尺寸为657.0 ± 0.3纳米，且ζ电位为-42 mV，表明其在溶液中形成了稳定的胶体分散体系。接下来，将不同浓度的Nb?O?颗粒（1%、3%和6%）与PHB溶液混合，制备出复合纤维。通过优化电纺参数，包括电压、流速和收集距离，研究团队成功制备出几乎无珠状结构、随机取向的纤维。SEM分析显示，Nb?O?的添加显著降低了纤维直径，大约减少了16%，但未对膜的润湿性产生影响，表明颗粒主要嵌入在聚合物基质中。FTIR-ATR分析进一步揭示了Nb?O?与PHB之间存在物理相互作用，主要涉及PHB的非晶态部分。随着Nb?O?含量的增加，PHB的结晶度逐渐降低，而其拉伸强度和杨氏模量显著提高，其中PHB-Nb6（94/6 w/w）的杨氏模量达到了85.50 ± 0.15 MPa，是纯PHB的三倍。这一结果表明，Nb?O?的引入能够有效增强纤维的机械性能。

在降解研究方面，研究团队通过体外实验评估了膜的水解降解行为。结果显示，在前一阶段，Nb?O?的加入略微减缓了膜的降解速率，这可能与无机颗粒对聚合物网络的阻碍作用有关。然而，由于PHB的降解过程非常缓慢，研究周期内未观察到明显的降解现象。此外，DSC分析显示，尽管纤维的结晶度有所降低，但其熔点并未发生显著变化，表明膜的微结构在实验期间基本保持稳定。这些结果为后续的生物相容性研究提供了重要依据。

为了进一步评估材料的生物相容性，研究团队进行了细胞毒性实验，使用人骨髓间充质干细胞（hBMSCs）作为模型细胞。结果显示，所有含Nb?O?的膜均未表现出对hBMSCs的毒性，且细胞在支架表面能够良好附着和增殖。此外，通过CCK-8和LDH释放实验，研究团队确认了支架材料对细胞代谢的无害性。进一步的细胞形态学分析表明，hBMSCs能够在所有类型的支架上正常生长，表现出良好的细胞活性。

在骨诱导性评估方面，研究团队通过ALP活性检测和茜素红染色实验评估了支架材料对细胞矿化能力的影响。结果显示，随着Nb?O?含量的增加，ALP活性和矿化能力呈浓度依赖性上升，其中PHB-Nb6表现出最强的骨诱导性。此外，qRT-PCR分析表明，含Nb?O?的支架能够显著上调与成骨分化相关的基因表达，包括RUNX2、OSX、COL1A1、ALP、OCN和OPN等。这些基因的表达水平在PHB-Nb6组中与成骨诱导培养基（OIM）处理的细胞相似，进一步验证了其骨诱导能力。

综合来看，本研究成功制备了具有优异机械性能和骨诱导潜力的PHB/Nb?O?复合纤维支架。Nb?O?的引入不仅增强了纤维的机械强度，还促进了细胞的成骨分化，显示出其在骨组织工程中的应用前景。此外，研究还表明，Nb?O?对纤维的润湿性影响较小，表明其主要作用于纤维的内部结构，而非表面特性。这些结果为未来开发更高效的生物活性纤维材料提供了理论依据和实验支持。