生物医用材料是用于诊断、治疗、修复或替换人体组织和器官或增进其功能的一类新材料，能够为医疗行业带来重大的益处。其中，具有组织再生诱导作用的仿生材料因其良好的生物相容性、机械性能适配性和组织再生诱导性，在生物医疗领域具有较高的开发价值和广泛的应用前景。

 

 

 

生物医用材料的发展历程

 

生物医用材料的发展历程主要分为以下几个阶段：

 

20世纪60年代

 

开发了第一代生物医用材料，并将其应用于临床，以骨钉、骨板、人工关节、人工血管和人工肾等为代表。

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20世纪80年代中期

 

生物活性玻璃、生物陶瓷、玻璃-陶瓷及其复合物等多种生物活性材料开始应用于整形外科和牙科。这些生物活性材料本身无毒，又具有高度的生物相容性，且在体内可与组织发生化学反应，被称为第二代生物医用材料。

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20世纪90年代后期

 

人们把重心转移到基于生物学方法进行组织修复和再生上来，开始第三代生物医用材料的研究。第三代生物医用材料主要以组织工程支架材料、原位组织再生材料等为代表。

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随着研究的深入，发现具有特殊结构的仿生医学材料（例如接近于目标组织结构的孔径及孔隙率）在支持细胞迁移、增殖、促进血管化及组织长入方面具有显著的促进作用。近年来人们重新审视细胞外基质的结构，构建具有分子水平、纳观尺度到微观尺度的三维多尺度结构仿生医学材料是未来发展的趋势。

 

 

 

生物医用材料的应用

 

生物医用材料按用途可分为骨、牙、关节、肌腱等骨骼-肌肉系统修复材料，皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等软组织材料，人工心脏瓣膜、血管、心血管内插管等心血管系统材料，血液净化膜和分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜等医用膜材料，组织粘合剂和缝线材料，药物释放载体材料，临床诊断及生物传感器材料，齿科材料等。

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皮肤修复

生物医用材料在皮肤修复方面有着广泛应用。仿生人工皮肤的特殊构造和功能能够更好地模拟真实皮肤的生理状况，促进皮肤的再生和修复，被应用于烧伤、皮肤损伤等复杂皮肤疾病的治疗。

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骨科应用

 生物医用材料在骨修复领域尤其是在骨折、骨缺损等治疗方面应用广泛。例如，仿生材料可作为骨球头植入体的基础材料，能够更好地模拟自然骨球头的力学性质，提高植入体的适应性和生物相容性。

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牙科应用

仿生材料在牙科应用方面也有广泛的应用。例如，仿生材料可用于制造牙髓、牙本质等填充物和支持材料，其良好的诱导性和生物相容性能够更好地保护牙髓和牙本质，减少患病，提高牙齿的寿命和健康。​

 

第三代人工骨修复与替代材料——生物活性陶瓷

骨是人体内最重要的结缔组织之一，在维持人体正常活动、保护体内器官、产生血液细胞等方面发挥着不可替代的作用。

骨骼虽然坚硬，但有时也会遭受损伤，如：由创伤、年老骨脆或疾病引起的骨折，还有意外、先天残疾等引起的大面积骨组织缺损等。这些损伤仅靠骨组织的自我修复很难愈合，必须通过修复重建手术来恢复其形状和功能，而这个过程需要借助骨修复与替代材料，并产生较大的医用消费。那么，有没有一类骨修复材料能够做到性能更好，价格更低呢？

图1 常见骨缺损及其骨修复

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过去，战士们征战负伤，通常会用珊瑚、象牙、金属、人骨、动物骨、甚至木材来替代或帮助修复骨缺损。而这些就是最早期的骨修复与替代材料。

图2 早期的骨修复与替代材料

随着现代医学的发展，人们逐渐拥有了更好的骨修复与替代材料：

• 早期的人工骨修复材料属于生物惰性材料，主要追求材料的理化特性与被替换的组织相匹配，并对人体产生最小的毒性反应，即“岿然不动”型；

• 第二代人工骨修复材料出现于1960年代，称为可生物降解或生物活性材料，这一代骨修复材料开始注重植入材料与人体之间的相互作用，追求良好的生物相容性或可观的降解能力，即“相敬如宾”型；

• 第三代人工骨修复与替代材料是既具有生物活性又可降解的生物材料，不仅能诱导新骨的生成，植入体还会随之降解，即“此消彼长”型。可降解生物活性陶瓷，就是其中的典型。

图3 骨修复与替代材料的发展

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第三代人工骨修复与替代材料具体好在哪里呢？这要从骨组织的构成说起。

**骨组织是由特殊的细胞和蛋白纤维混合于水、无机盐和碳水化合物所形成的胶冻状的基质中而构成，由65%的无机盐和约35%的有机物组成。**其中的无机物主要是磷酸钙，因此磷酸钙类生物陶瓷在骨修复方面展现出了明显的优势。

目前，应用最广的磷酸钙类生物陶瓷是羟基磷灰石（HA）和磷酸三钙（TCP）。磷酸钙类陶瓷具有良好的生物相容性，植入体内不仅安全、无毒，还可传导骨生长。主要用于不承力部位的骨缺损修复与替换，如骨缺损腔填充、牙槽脊增高、耳听骨替换及药物释放载体等。

图4 部分羟基磷灰石陶瓷产品图片

图5 部分磷酸三钙生物陶瓷产品图片

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那么，什么是“生物活性”呢？

1970年代初，美国的生物材料学家Larry Hench教授发现一种含硅的玻璃可以与骨组织形成骨性结合，并可诱导新生骨组织的形成，调控骨的发育和生长。他据此提出了“生物活性”的概念，自此开创了骨修复材料的新方向——生物活性陶瓷材料。

图6 硅的存在对生长发育的重要性

在骨修复领域，生物活性主要指生物材料与活体骨产生化学键合的能力。人们通常把植入材料在生理或者模拟生理环境下能否诱导类骨羟基磷灰石沉积，作为判定材料是否具有生物活性的判据之一。

硅酸盐类生物活性材料在植入人体内后，能够在材料表面形成一层类骨羟基磷灰石，并通过这层类骨羟基磷灰石与骨组织形成牢固结合。因为拥有良好的生物活性，在骨骼修复、创口愈合、覆盖修复材料甚至美容护肤高档化妆品中，你都能见到硅基生物陶瓷粉体的身影。

既然磷酸钙类陶瓷和硅基生物陶瓷都这么优秀，让它们强强联手，性能会不会更强大？

科学家们正是这样做的。近年来，他们更加聚焦于**“钙-磷-硅系生物活性陶瓷”的开发和研究工作。比如硅磷酸钙（Ca5(PO4)2SiO4，CPS）生物活性陶瓷——它拥有良好的生物相容性，在模拟生理环境下能诱导类骨羟基磷灰石的快速形成。而且由于硅元素的加入，它获得了比传统的羟基磷灰石更优异的骨长入能力及降解能力**，能够完美地做到“花落草长、此消彼长”。

此外，锌、铁、镁、锶、铜等多种生物活性元素掺杂的生物陶瓷材料也正在研究中。如果这些新型生物活性陶瓷能够早日进入临床，无疑是伤者的福音。

目前，为了得到具有集生物安全性、生物相容性、骨诱导性和高力学强度一体的生物医用陶瓷，为了赋予生物陶瓷更多优异的功能，使其在机体内实现更好的临床功效，科研工作者仍在不懈努力。

 

生物活性纳米材料的研究进展

 

 

 

 

摘要

纳米技术的进步为生物活性纳米材料带来了全新的发展机遇。生物活性纳米材料是一类具有纳米尺寸且能够在体内与蛋白质、细胞或组织发生相互作用并引起生物学反应的材料。生物活性纳米材料的生物活性主要取决于材料的理化性质、表面特性及其纳米形貌。当前的研究已证实生物活性纳米材料具有很高的学术研究和临床应用价值。本综述对影响纳米材料生物活性的因素进行了讨论和总结，并重点讨论了其在生物医学领域的应用价值。希望通过对生物活性纳米材料的介绍，为生物医用纳米材料的设计提供新的思路。

 

 

 

引言

生物活性材料是一种能够在体内与蛋白质、细胞或组织相互作用并引起生物学反应的材料。纳米技术的进步为生物活性纳米材料带来了全新的发展机遇。与传统生物活性材料相比，生物活性纳米材料具有纳米级尺寸和精准化结构等特点，这使其具备精准调控材料和生物系统之间相互作用的能力，进而表现出独特的生物活性。

 

生物活性纳米材料和响应性纳米材料的定义截然不同。生物活性纳米材料能够与蛋白质、细胞或组织发生相互作用并引起生物反应，进而实现对生命体行为和功能的调控。相反，响应性纳米材料是指可针对外部刺激 (如 pH 变化、活性氧水平、酶表达水平、光和热等) 做出响应，进而改变材料自身理化性质 (如表面电荷、化学结构等) 的材料。响应性纳米材料已被广泛应用于药物的靶向递送和控制释放。

 

作为新兴的研究领域，生物活性纳米材料发展迅速，相关研究和应用已覆盖了诸多生物医学领域。本综述详细介绍了近年来生物活性纳米材料的研究进展，分析和讨论了影响材料生物活性的诸多因素，并系统性地介绍了生物活性纳米材料在生物医学领域的代表性应用。

 

 

01

影响材料生物活性的因素

与传统生物材料相比，生物活性纳米材料通常具有较为明确的纳米结构和理化性质。这些材料的物理结构、表面性质和纳米形貌直接影响材料和生物系统之间的相互作用，是影响材料生物活性的重要因素（图1）。

 

纳米材料的粒径显著影响其生物活性。随着粒径的减小，纳米颗粒的比表面积逐渐增大。一个粒径为30 nm 的颗粒表面上有大约5 %的原子或分子分布，而3 nm 的颗粒表面则有50 %的原子或分子。银纳米颗粒 (Ag NPs) 是一种有效的抗菌剂，在伤口敷料、涂层和医疗器械中具有广泛的应用。一项研究结果显示，粒径为20 nm 的 Ag NPs 比大粒径的 Ag NPs 和 Ag+ 的毒性更大，表明粒径在影响纳米材料生物活性中起着关键作用。此外，纳米材料的结构对其生物活性也有很大影响。例如，分子印迹纳米颗粒 (Molecular imprinting polymer, MINP) 作为一种化学受体能够以较高的亲和力结合目标生物分子，其具体的生物活性取决于纳米颗粒本身的精细结构。如今，就有精准纳米结构的MINP 已被开发用于靶向在癌症等多种疾病中过度表达的蛋白受体。

 

纳米材料的表面性质也对其生物活性具有显著影响。调控生物活性纳米材料的表面性质有以下两类方法：

(1) 通过调整纳米材料的表面电荷和亲疏水等性质，赋予纳米材料理想的生物活性；

(2) 通过化学修饰将生物活性配体 (如小分子、多肽和蛋白等) 直接修饰在材料表面，可得到具有特定生物学功能的生物活性纳米材料。

 

此外，细胞在具有不同纳米形貌或不同粗糙程度的表面上会表现出截然不同的行为。例如，未分化的胚胎干细胞 (Embryonic stem cells, ESCs) 优先粘附在光滑的表面上而并非粗糙的表面。同时，光滑的表面还可维持 ESCs 的自我更新能力，而粗糙的表面可诱导 ESCs 分化。这些研究揭示了纳米形貌在影响细胞行为方面的重要性。

 

图1 生物活性影响因素的总结

 

 

02

生物活性纳米材料及其生物应用

随着材料科学的飞速发展，无机纳米材料、碳纳米材料、高分子纳米材料和超分子纳米材料等各类生物活性材料相继被研发出来并被广泛应用于生物医学领域（图2-图4）。

 

(1) 无机纳米材料，如纳米生物活性玻璃，因其具有优异的机械性能而成为最有前景的骨移植替代物；碳酸钙类纳米材料用来调控肿瘤免疫微环境；金属基纳米材料可用于产生或清除活性氧和催化氧化特定物质等。

(2) 碳纳米材料，如碳纳米棒和纳米管，可用于促进细胞增殖和分化；氧化石墨烯可调控细胞自噬等生物学行为。

(3) 分子印迹聚合物纳米颗粒可选择性识别目的多肽或蛋白质；将特定生物活性的配体修饰到聚合物纳米颗粒表面，可实现对多种蛋白和细胞的靶向识别，进而用于调控机体的抗肿瘤免疫效应或因蛋白质错误折叠引发的神经退行性疾病等。

(4) 特定序列的多肽可在体内原位自组装构建超分子生物活性纳米颗粒，从而用于止血、抗菌和抗肿瘤等研究；环糊精和杯芳烃等大环两亲性分子是构建活性纳米材料的新型单体，已用来调控蛋白间的相互作用，在神经退行性疾病治疗方面展现出巨大潜力。

图2 无机-聚合物纳米材料调控肿瘤微环境并抑制肿瘤生长

图3 聚合物纳米材料调控淀粉样蛋白聚集用于神经退行性疾病的治疗

图4 超分子纳米材料有效捕获细菌

 

总结与展望

生物活性纳米材料的生物活性主要受材料自身的物理结构、表面性质和纳米形貌等因素影响，许多生物活性纳米材料已被开发出来用于疾病治疗和组织再生。例如无机纳米材料和碳纳米材料具有优异的机械性能，在组织再生领域发挥重要作用。聚合物纳米材料可调节蛋白-蛋白、蛋白-细胞和细胞-细胞相互作用，用于分子识别及药物靶向递送。非共价键的动态性和自适应行为使得超分子纳米材料可以方便地离解和重构，这为可变形纳米药物和特定分子识别技术的发展开辟了道路。然而，生物活性纳米材料的发展仍面临一些挑战，需在以下几个方面进行更深层次的探索：

(1) 化学机理的探究。对材料化学机理的研究可以帮助研究人员更好地理解材料和生物学功能的构效关系，从而为设计和开发生物活性纳米材料提供原则性指导。

(2) 拓宽纳米材料的范围。未来的研究重点应放在研究新型生物材料的理化性质和生物活性上。例如，3D 打印技术制备的纳米材料是一种重要的生物医用纳米材料，探究其相关的生物活性将是一个有前景的研究方向。

(3) 提升材料治疗效果。由于生物系统的复杂性，生物活性纳米材料的治疗效果往往不尽如人意。我们在后续的工作中应该着重考虑并解决材料的组织靶向、生物分布、生物降解和免疫原性等问题。

(4) 临床转化性研究。生物活性纳米材料的急性和慢性毒性评估、大规模制备、批次重复性、灭菌和储存等都是临床转化过程中必须面对的问题，应重点予以关注。

走进前沿新材料：生物医用材料

在生物材料的发展史上，一些材料被冠以“惰性材料”的名号，意指它们在生物体内或与生物体接触时表现出低反应性和生物相容性，如金属、惰性陶瓷等。虽然这些材料在生物体内不会引起明显的免疫反应、毒性或其他不良反应，但植入后与细胞或组织的相互作用相对较弱，细胞可能无法有效粘附和分化，这可能导致植入物或组织工程构建物的功能受损；另一方面，细胞通过与材料表面的相互作用来感知和响应外部环境，较弱的相互作用，可能无法触发适当的免疫响应，从而导致材料被身体排斥或引发慢性炎症反应。为此，研究人员致力于开发能够促进生物材料与细胞或组织相互作用的方法，因而逐渐衍生出了生物活性材料。

 

“活性”意指材料对细胞或生物体表现出积极的影响力，如促进细胞生长、抗菌活性或骨组织再生能力，但也可以是消极的，如抑制肿瘤生长或减少炎症反应等。此外，“活性”一词强调了生物活性材料与生物体之间的相互作用和影响，这些材料通常是在其结构中引入特定的化学组分或功能基团引发特定的生物效应进而实现增强的活性。因此，通过调整材料的特定参数，如化学组成、物理结构和表面特性可间接调控材料的活性并实现所需的生物效应。

 

结合已发展方法和近年发表文献，“活性”增强可以通过表面修饰、涂层、纳米颗粒、复合功能化等方法实现，为此，本期EFL将从四种策略出发，结合实际案例和相关技术列举了典型的生物活性增强方法。

 

 

01

 

表面功能修饰

 

一方面，通过在生物惰性材料的表面引入生物活性分子，如蛋白质、多肽、细胞识别肽等，可以增加材料与生物体的相互作用能力。这些生物活性分子可以通过化学交联、物理吸附、共价键合等方法固定在材料表面，从而改变其生物特性。对于大多数惰性材料来说，为了改善界面相互作用，表面改性是调节生物相容性最有效的方法。另一方面，通过机械力等物理手段对表面进行微纳米修饰也是提高生物活性的方法之一！

 

案例1：生物医用钛材料的静态修饰和动态响应调控 Bioactive Materials ( IF 16.874 ) 2023-03-27

主要内容：钛(Ti)及其合金由于具有良好的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性，已被广泛用作骨科植入物。尽管它们在各种临床应用中取得了显着成功，但失败、退化和修复的可能性非常高，特别是对于骨密度低、骨量不足或骨质疏松症的患者，这使得钛表面改性的研究仍然很活跃，以进一步改善临床结果。本文系统综述了钛材料的表面特性以及涉及机械、物理和化学处理的各种常规表面改性技术，同时对其更利于生物活性的动态响应进行了相关叙述。

基底材料：医用金属钛

改性方式：表面喷砂（机械方法）、热喷涂和等离子体喷涂（物理方法）、酸蚀刻、碱热处理、电化学方法和生物化学方法（化学方法）（由于篇幅限制，这里不给出具体细节，有需要了解的同学们可以自行下载文献详细解读哈~）

 

 

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.03.006

 

案例2：固体结合肽和蛋白质的生物医学应用 Materials Today Bio ( IF 10.761 ) 2023-02-15

主要内容：固体结合肽 (SBP) 是一种简单而通用的工具，用于将生物分子固定在各种固体表面上。特别是在生理环境中，SBP可以提高混合材料的生物相容性，并为生物分子的显示提供可调特性，同时对其功能的影响最小。所有这些特性使 SBP 对于在诊断和治疗应用中制造仿生材料具有吸引力。特别是药物输送、生物传感和再生疗法等生物医学应用已受益于SBP的引入。该综述主要回顾了在生物医学应用中使用固体结合肽和固体结合蛋白的文献，表明SBP介导的生物偶联可以很容易地引入复杂的设计和具有非常不同的表面化学性质的纳米材料中。

基底材料：多种固体表面，如磷酸盐矿物质、硅酸盐、冰晶、金属、金属氧化物、塑料和石墨烯。

改性方式：利用非共价相互作用将SBP引入多种固体表面实现更高的生物活性

 

 

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100580

 

Tips

 

 

 

与案例2类似，大家熟知的RGD早已被广泛用于表面修饰。EFL现已推出丙烯酰化RGD肽（EFL-Pep-RGDfKAC），同时对RGD肽修饰生物材料进行了应用集锦整理，有需要的小伙伴可以进一步点击了解~

 

02

 

生物活性涂层

 

通过在生物惰性材料表面涂覆一层活性涂层，可以引入生物活性成分。这些涂层可以通过物理沉积、化学沉积、离子交换等方法制备，从涂层材料类型上看，大致可以分为聚合物涂层、生物活性陶瓷或生物活性玻璃涂层。

 

对于具有生物活性的聚合物涂层，常见的如PDA、多糖材料、抗菌银等；而生物活性陶瓷或生物活性玻璃大多基本都通过磁控溅射、电泳沉积、溶胶凝胶或离子交换来制备，这些涂层都具有一定的生物学功能，如促进细胞粘附、抗菌等，能够与生物体相互作用并促进生物响应。

 

案例3：功能性水凝胶涂层 National Science Review ( IF 23.178 ) 2020-10-05

主要内容：目前，已成功在各种基材上实现了具有可控厚度和坚韧附着力的功能性水凝胶涂层。水凝胶涂层基材结合了水凝胶的优点，如润滑性、生物相容性和抗生物污垢性能，以及基材的优点，如刚度、韧性和强度。在这篇综述中，作者关注功能性水凝胶涂层的三个方面：（i）水凝胶涂层的应用和功能，(ii) 用具有坚韧附着力的不同功能水凝胶涂覆各种基材的方法，以及 (iii) 评估功能水凝胶涂层与基材之间附着力的测试。

材料类型：各种医用基底材料（表1），但复杂形状基底仍具有挑战性。

改性方式：主要分为表面桥接法和表面引发法且大多为共价连接。

 

 

 

 

 

原文链接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa254

 

案例4：具有强杀菌能力和骨再生能力的新型含铜生物活性玻璃纳米形貌涂层Composites Part B: Engineering (IF 11.322) 2023-01-16

主要内容：钛已被公认为合适的骨植入材料，但其缺乏生物活性并且易受细菌感染。该研究使用电泳沉积(EPD)开发了一种创新的表面涂层，由(i)天然生物相容性聚合物壳聚糖(Chit)和(ii)具有抗菌和促成骨特性的新型掺铜生物活性玻璃纳米粒子(Cu-BGNs)组成。该涂层赋予钛表面通过形貌线索促进巨噬细胞M1极化并释放铜离子的能力，将免疫调节抗菌作用与瞬时杀菌活性相结合协同促骨再生。

基底材料：医用金属钛

改性方式：利用电泳沉积技术将抗菌材料和成骨材料涂覆在钛基底实现协同促骨

 

 

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110521

 

案例5：淀粉样蛋白介导的纳米结构与聚醚醚酮的仿生矿化以增强骨整合ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 10.383 ) 2023-02-15

主要内容：聚醚醚酮（PEEK）是一种广泛使用的植入材料，但PEEK的生物惰性不会促进骨沉积。在这项研究中，作者使用相变溶菌酶(PTL)纳米膜作为夹层，在PEEK上构建了坚固的羟基磷灰石(HAp)涂层。PTL纳米薄膜对PEEK表面表现出很强的粘附力，并诱导仿生矿化，同时在模拟体液中的PEEK上形成致密的HAp涂层。这种HAp涂层不仅具有更高的粘附强度和更好的稳定性，而且还可以应用于具有复杂3D结构的植入物。

基底材料：聚醚醚酮（PEEK）

改性方式：将仿生矿化HAp沉积在PEEK基底上赋予支架更高的生物活性，促进细胞粘附和骨沉积。

 

Tips

 

 

 

EFL曾推出仿生矿化主题推文《想要更“强壮”的水凝胶？生物矿化来帮忙》，有需求的同学可以按需阅读~

 

 

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c20711

 

03

 

生物活性粒子/微球

 

随着生物材料的发展，完全的生物惰性材料或支架已逐渐“消失”，大部分研究材料都具有一定的生物功能，功能单一成为了限制其进一步应用的主要原因。因此，将具有特殊功能的粒子/微球引入生物惰性材料或支架中，可以增加其生物活性，如具有特定生物功能的金属纳米颗粒、纳米陶瓷颗粒或复合微球。目前的研究中，基本上都是通过物理混合或直接包裹在生物惰性材料的基质中来实现生物活性的增强。

 

同时，颗粒的选择可以根据所需的生物活性特性进行优化，如金属纳米颗粒可以具有抗菌、促进骨再生等功能、具有光热特性的金纳米粒子或包裹药物的微球等。

 

案例6：微球负载淫羊藿苷的3D打印骨再生支架 Composites Part B: Engineering (IF 11.322) 2022-01-08

主要内容：聚己内酯(PCL)和纳米羟基磷灰石(nHAP)复合材料是一种有吸引力的骨支架材料，具有优异的机械性能和骨诱导性，它还表现出良好的生物相容性以及可控的生物降解性。为了实现生物活性因子的受控递送，该研究开发了一种PCL和nHAP复合支架，并在支架中嵌入了聚（乳酸-共-乙醇酸）（PLGA）微球。由于nHAP，支架表现出优异的机械性能，并且随着PCL降解，支架显示出ICA的可持续释放。

基底材料：复合支架

改性方式：共混微球进行3D打印，利用微球负载ICA从而实现药物的可持续释放。

 

 

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109625

 

Tips

 

 

 

对于生物活性微球，目前有很多研究和复合方法，同时EFL也推出了系列相关主题总结：

（1）水凝胶微球应用集锦：水凝胶微球抗菌、抗炎、促伤口愈合（一）

（2）水凝胶微球应用集锦：水凝胶微球抗菌、抗炎、促伤口愈合（二）

（3）水凝胶微球应用集锦：水凝胶微球在生物3D打印中的应用

 

案例7：生物3D打印支架重塑神经调节微环境以促进骨再生 Advanced Functional Materials (IF 19.924) 2023-05-31

主要内容：本文制备了一种具有预先设计的微纳米层次结构的3D打印的复合支架，通过利用骨再生的神经调节机制，将载有降钙素基因相关肽(CGRP)和普萘洛尔（PRN）的介孔二氧化硅纳米粒子添加到混合生物墨水中，该墨水包含甲基丙烯酸明胶、聚乙二醇二丙烯酸酯和骨髓间充质干细胞(BMSC)。该支架可促进人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的迁移和成管，有利于骨修复过程中新毛细血管网络的形成，这将有效增强大鼠模型中临界尺寸颅骨缺损的骨修复。

基底材料：复合支架

改性方式：利用多孔二氧化硅纳米粒子负载药物实现更快的临界颅骨缺损修复

 

 

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202304172

 

案例8：超声触发的压电催化复合水凝胶促进细菌感染伤口愈合Bioactive Materials ( IF 16.874 ) 2022-12-14

主要内容：由于皮肤伤口易受细菌感染，伤口愈合已成为医学界面临的基本问题之一。为此，本文设计了一种具有优异抗菌活性的纳米复合水凝胶。在超声波振动下，表面钛酸钡(BT)纳米粒子由于所建立的强内置电场，嵌入在水凝胶中的微生物快速产生活性氧(ROS)从而赋予水凝胶优异的抗菌功效。这种混合水凝胶将BT纳米粒子限制在伤口区域，并在超声波下局部诱导压电催化以消灭细菌，显着提高了治疗的生物安全性。

基底材料：水凝胶

改性方式：物理复合压电纳米粒子，赋予体系压电催化性能，从而实现抗菌功能。除BTO外，还有许多其他功能粒子，如磁性四氧化三铁纳米粒子、具有光热转化和抗菌的金纳米材料、生物活性陶瓷等材料。

 

 

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2022.11.023

 

04

 

多功能复合材料

 

多功能复合材料的设计和制备旨在利用每种材料的特性和优势，从而达到更高的生物活性。例如，将生物可降解聚合物与无机材料、纳米颗粒等进行组合，实现细胞支架、骨修复和药物释放等多种功能。

 

案例9：具有材料降解适应组织愈合引导功能性骨再生的可注射水凝胶 Advanced Functional Materials ( IF 19.924 ) 2023-03-04

主要内容：不规则骨缺损的治疗仍然是一个临床挑战，因为目前的生物材料(如磷酸钙骨水泥(CPC))主要作为惰性替代物，不能转化为再生的宿主骨(称为功能性骨再生)。本研究旨在开发一种具有骨再生适应性降解性的可注射生物材料，构建一种能够及时转化为新骨的仿生类骨结构，促进功能性骨再生。为了实现这一目标，通过将laponite(LP)和CPC结合到明胶水凝胶中来合成杂化(LP-CPC@明胶)水凝胶，并且通过调节LP/CPC比率来控制整体降解速率以匹配骨再生速率。该水凝胶表现出良好的骨诱导、骨传导和血管生成效果，具有完全的植入物到新骨的转化能力。

基底材料：CPC

改性方式：复合具有生物活性的laponite（LP），将LP和CPC1以填料形式与明胶结合赋予可控降解特性。

 

 

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202213047

 

案例10：用于血液接触应用的含有石墨烯基材料的聚甲基丙烯酸2-羟乙酯水凝胶：从软惰性材料到强可降解材料 Acta Biomaterialia (IF 10.633) 2023-04-28

主要内容：血液接触装置(BCD)广泛用于临床操作，但其长期暴露可能导致凝结或免疫反应。本文中，通过加入不同量的水解不稳定交联剂季戊四醇四-3-巯基丙酸酯，将FDA批准的惰性和生物相容性聚(甲基丙烯酸2-羟乙酯)(pHEMA)水凝胶转变成可降解材料。原位添加具有不同横向尺寸/厚度的氧化石墨烯基材料(GBMs)来增强水凝胶的机械性能。GBMs的加入已经证明可以同时调节降解时间，降解时间为2-4个月。具有突出的抗粘附性(pHEMA)的水凝胶提供了血液相容性，可降解交联剂的存在提供了可降解性，氧化石墨烯的引入允许其调节降解和机械性能。这项工作为实现可生物降解的血液接触装置方面提供了新的思路和见解。

基底材料：pHEMA

改性方式：通过加入特定交联剂和GBMs分别赋予其可控降解性能和增强的机械性能。

 

 

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2023.04.031

 

总结

 

 

实际上，各种策略之间存在相互耦合的成分。例如，纳米粒子或聚合物可以实现载药和特殊功能，涂层也可以实现类似的功能；同样，刚性链可以增强体系整体性能，而纳米粒子或涂层也可以用来实现这一目标；此外，通过改变微纳米结构化材料表面，还可以提高其生物活性，而涂层也可以发挥这样的作用。因此，这些策略并不是相互独立的，但它们的侧重点仍然是不同的。

 

微纳米结构、功能涂层、无机纳米粒子、微球、功能复合物，每一个单独放出来都有着不一样的功能，但是如何通过更好的结合方式让他们实现“1+1＞2”的功效就需要不同的策略去进行灵活的调整，如改性路线和方式、附加功能材料的选择及其应用形式选择（粉末or微球or高分子），这样才能更有效的调控材料与生物体之间的相互作用。