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植入物显示出再生骨骼的巨大希望

它的力量可能无法与金刚狼相媲美,但由内布拉斯加大学医学中心和内布拉斯加大学林肯分校的研究人员设计的再生植入物可以帮助修复身体创伤、手术或骨质疏松症后的深骨损伤。

该团队开发了一种可生物降解的、基于纳米纤维的植入物或支架,其设计可以通过有效引导恢复细胞迁移到损伤部位来更好地再生骨骼。当植入有骨缺损的大鼠时,圆柱形支架促进了骨骼的再生,与许多其他最先进的设计相比,这种骨骼更致密、体积更大、更像周围的组织。

即使没有外部来源的干细胞或所谓的生长因子的帮助,植入物也能促进再生,这有助于促进愈合,但也可能引入调节并发症和副作用,从炎症到不受控制的组织形成。

“到目前为止,我们还没有发现任何支架的性能比我们的更好,”内布拉斯加大学林肯分校的机械和材料工程教授、内布拉斯加大学林肯分校的机械和材料工程教授谢经伟说。“结构是关键。”

这种标志性结构源于最近由谢牵头的工程突破,该突破将一种有前途但有限的二维方法转变为 3D 奇迹。

谢说,在此之前,许多实验室正在开发由纳米纤维制成的二维植入物,这些纤维排列成孔。理想情况下,想法是,骨髓干细胞会渗入这些毛孔并最终形成具有类似于天然相邻骨骼的结构的组织。但工程师们经常努力打造足够大或有组织的毛孔,以使细胞能够持续通过并随后形成构成骨骼的组织卷须。

因此,受到高中数学概念的启发,谢开始制造具有更大、更不随意、更可通行的毛孔的 3D 支架。这个概念称为旋转实体,它展示了任何 2D 曲线(矩形、三角形、圆形)如何围绕轴旋转以形成数学实体。例如,旋转矩形形成圆柱体,而三角形形成圆锥体,圆形形成球体。

谢的团队通过采用堆叠纳米纤维的矩形毫米级垫子来应用该原理,使用热量将一端固定在一起,就像书脊一样,然后将垫子浸入使这些纤维膨胀的溶液中。最终,松散的一端散开形成一个圆柱体,其纳米纤维和相关的孔隙像车轮的辐条一样从中心向外辐射。

研究人员怀疑,径向布局会鼓励来自损伤部位周围的各种类型的细胞向其中心迁移,在此过程中形成组织网络。为了测试它,他们将放射状支架嵌入大鼠上颅骨缺失的骨块中,评估 4 周和 8 周后的再生情况。

在这两个时间点,与对照组和植入胶原海绵(一种常用植入物)的组相比,桡骨支架再生的骨骼覆盖了更多的损伤部位。

“我们发现径向排列的纳米纤维在这种情况下确实可以增强骨再生,尤其是颅骨,”谢说。“尤其是前四个星期,我们看到了显着差异。它可以在很短的时间内开始促进骨骼再生。”

再生的骨骼具有更多的矿物质,如钙,对健康的骨骼形成至关重要。它明显更密更厚,这意味着它可以帮助解决骨质疏松症的症状。它以与支架非常相似的径向排列方式生长,这表明细胞实际上是跟随孔的。当欧洲同事根据由此产生的生长进行机械应力模拟时,再生骨骼的轮廓与健康颅骨的轮廓平行,暗示前者可能与后者一样承受压缩力。

最重要的是,在团队支架上培养的骨髓细胞自然拥有更高水平的多种生长因子,包括骨形态发生蛋白 2 或 BMP-2——一种形式已与胶原海绵结合使用以刺激骨骼生长。其他新兴的再生方法——3D 打印支架、气凝胶、可注射水凝胶——通常也包含外部来源的 BMP-2。谢说,即便如此,那些在老鼠身上进行测试的人也未能像内布拉斯加州团队的设计一样刺激生长。

他说,一种可生物降解的植入物可以在没有任何外部生物制剂的情况下自行刺激这种生长,有望为最终获得美国食品和药物管理局的批准铺平道路。也有利于它的工作:该团队用已经广泛用于 FDA 批准的生物医学设备的聚酯制造了植入物。

谢说,如果它最终转化为临床环境,植入物可能会成为更传统方法的有吸引力的替代方案。这些包括同种异体移植物,它包括从捐赠者身上植入骨碎片,以及自体移植物,这需要从自己的身体中获取一段骨头并将其移植到受伤部位。后者需要多次手术,除其他问题外,还会降低所采集骨骼的功能。

谢说,该团队最近的实验可以预览植入物的首次直接应用。

“最终,这个想法是(那)我们可以生产一种基本上只是圆柱支架的产品,主要专注于神经外科应用,”他说。“因为在很多神经外科手术中,他们需要在进行手术之前在头骨上钻一个洞。然后,他们需要修复那个洞。”

为了让他们的设计从长凳到床边,谢和他的同事们现在正在对大型动物试验和实验进行训练,这些试验和实验涉及恰当命名的长骨——股骨、锁骨等。他们正在寻求进一步完善已经​​使它与众不同的东西。

“我们仍在努力优化结构,”谢说。“现在,它可以增强骨骼再生,但我认为我们仍然可以在某些方面改善它。”

研究人员最近在《科学进展》杂志上详细介绍了他们的发现。

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