本研究报道了新型无定形二氧化硅纤维基质的合成和表征。通过烧结无定形二氧化硅纤维熔融以制备多孔基质，研究了牺牲聚合物添加剂如聚乙烯醇（PVA）和纤维素纤维（CF）对烧结过程的影响。此基质可以提供组织工程所需要的孔径、孔隙率和降解特性。扩展本文报道的改变基质性质的方法可能导致各种组织工程、植入和药物递送应用。

01、研究内容简介

引言

生物玻璃是20世纪被广泛接受的生物材料之一，基于生物玻璃的产品已获得临床批准，目前已经应用于牙科、颅面部和颌面部骨缺损修复应用。而无定形二氧化硅是生物玻璃的主要成分，以及网络形成或修饰元素。

然而，由于生物玻璃和其他熔融二氧化硅玻璃的体积性质，这些生物材料的体内降解受到限制，并且缺乏允许细胞渗透和组织形成的孔隙。这些限制为其在组织工程应用中的进一步适应性和发展提供了主要障碍。克服这些局限性的几种方法之一是将这些颗粒形式的生物材料用于缺陷填充应用。这允许颗粒之间的空间和间隙用作细胞渗透的孔隙。然而，由于缺乏强度，此类颗粒系统仅限于非承重应用。

溶胶-凝胶材料加工的重大发展使二氧化硅生物材料可以引入孔径范围（10-1000纳米）的孔隙。然而，据报道，组织工程的最佳孔径为50–300μm，以允许细胞渗透和有效的营养运输和废物去除。之后在溶胶-凝胶衍生的二氧化硅生物材料中引入较大孔隙的其他努力虽然成功，但最终基质机械强度较弱，可能对组织工程没有用处。因此，溶胶-凝胶衍生的二氧化硅生物材料主要用于药物输送和生物成像应用。

因此，本研究的目标是开发一种硅基生物材料，该材料具有生物玻璃的有益特性，并且具有多孔性、可生物降解性、亲水性和纤维性，可以用于组织工程。已知与晶体形式石英相比，无定形的二氧化硅具有生物活性和可降解性。我们通过烧结无定形的二氧化硅纤维来得到一种三维网络结构的基质系统，再通过结合其他添加剂，包括生物活性玻璃、陶瓷、聚合物等，操作最终基质性能，以满足特定组织工程应用的需要。在这篇手稿中，我们报道了一种有效合成无定形二氧化硅纤维基质的方法，并研究了加工温度和添加剂对基质理化性质和体外成骨能力的影响。

1. 硅纤维烧结工艺

硅纤维烧结工艺示意图：将纤维混合并均质，然后在模具中压制和干燥，并在不同温度（1350℃、1450℃和1550℃）下烧结(Fig. 1A)，

所得二氧化硅纤维支架的SEM图像：在较高温度下烧结的支架显示出相邻二氧化硅纤维更完全的烧结，而在较低温度烧结的支架表明相邻二氧化硅纤维不完全烧结，烧结的接头突出。（Fig.1B）

2. 无定形二氧化硅纤维基质的表征

基质的表征包括吸水率、降解性、孔隙率、孔径、细胞相容性等

如Fig2.A所示，在1550℃下烧结的二氧化硅支架在吸水前后整体的结构和体积没有显著变化。同时Fig2.B显示出，无论烧结的温度如何，二氧化硅支架在水中浸泡时都能吸收约500%的重量，烧结温度对吸水率基本没有影响。

如Fig.3B所示，烧结前图像显示存在分散在二氧化硅纤维之间的纤维素。加入PVA并随后干燥浆料导致在浆料干燥时在二氧化硅纤维之间形成PVA膜。烧结后图像显示，含20%PVA的支架导致二氧化硅纤维更完全烧结，孔径更小。

Fig.3C和Fig.3D显示，添加PVA导致显著更高的压缩模量和屈服强度，而添加CF或者烧结温度的变化对二氧化硅支架的压缩模量和屈服强度没有显著影响。

Fig.4显示烧结后，纤维素纤维和PVA添加剂都已通过烧结后的热分解去除

为了定量分析二氧化硅支架的孔隙率和平均孔径，对二氧化硅支架进行汞孔隙率测定（AutoPore IV汞孔隙仪，Micromeritics）。使用直径为10mm、高度为20mm的圆柱形支架进行分析。将样品放入孔隙率计中，在孔隙率仪中施加真空并施加0.1至2大气压的压力以进行汞侵入。然后，使用汞侵入量和与散装样品尺寸相关的汞总量来确定平均孔径和总孔隙率。

结果显示，随着烧结温度的升高，支架的平均孔径显著增加，烧结温度为1550℃显示出最高的平均孔径。与1550℃烧结的支架相比，向支架中添加CF不会显著改变平均孔径。 然而，在支架制造过程中添加PVA导致支架的平均孔径显著减小。（Fig.5A）。然而二氧化硅支架的总孔隙率不会随烧结温度变化而变化，显示孔隙率约为90%。添加CF不会影响支架的孔隙率，而添加PVA会显著降低支架的整体孔隙率。（Fig.5B）。Fig.5C展示了二氧化硅支架孔径的相对分布，红色虚线表示各组的平均孔径。 1350℃烧结的平均孔径为67.78μm，1450℃组为75.80μm，1550℃组为89.80μm，1550℃下添加了20%CF组为86.24μm，1550℃下添加了20%PVA组为61.71μm.

如Fig.6将二氧化硅支架置于PBS中，温度为47℃，并每周更换降解介质。降解曲线显示总质量逐渐减少，到第40周（n=3）达到其原始体积的约70%。此外，据报道，水环境中二氧化硅的降解副产物（主要是Si（OH）4）具有生物相容性，并可诱导产生促进周围细胞增殖和分化的因子。值得注意的是，该实验是在升高的温度47℃下进行的、 这表明材料的实际降解速率可能低于图6所示。虽然组织工程支架的降解速度与新组织形成的速度相匹配是理想的。

Fig.7硅纤维支架生物相容性的体外评估：接种hMSCs后1、7和14天二氧化硅支架的活/死和SEM图像。活/死成像成像显示最小的细胞死亡和种子细胞的快速增殖。SEM成像也显示了同样的趋势，细胞在第14天达到融合。插入物显示了细胞附着到二氧化硅纤维的特写镜头，细胞以红色突出显示。

为了进一步评估成骨能力，将hMSC种在二氧化硅支架进行体外矿化，通过茜素红染色进行定量。二氧化硅支架在7、14和21天后的茜素红染色较高，在培养14天后达到最大值（Fig.8C）。同时，在TCP上培养的细胞在所有时间点都显示出最低水平的茜素红染色，表明矿化很少发生。在整个时间点，二氧化硅支架上的茜素红染色程度大约是TCP上培养的细胞的10倍，这表明了二氧化硅纤维支架的体外成骨特性。接种在二氧化硅支架上的细胞也显示出比在TCP中培养的细胞更高的ALP活性水平。接种在二氧化硅框架上的细胞ALP活性的早期增加可能表明已开发的二氧化硅支架具有成骨特性。（Fig.8B）

10. 结论

综上所述，本研究报告了一种合成非晶态二氧化硅纤维基质作为可降解支架系统的有效方法，该支架系统具有改善的孔隙和力学性能，用于组织工程。各种基质工艺参数，包括烧结温度和添加剂，提供了进一步操纵该生物活性材料平台的孔隙和降解特性的额外自由度，具有优越的实用性。90%的多孔基质具有50-200μm大小的孔隙，允许500%重量的吸水率而不损失结构尺寸和强度是非晶二氧化硅基质的一些独特特征。该材料平台提供了水凝胶和其他聚合物/陶瓷基支架系统有益的亲水性，同时最大限度地减少了这些系统的潜在缺点，例如在灭菌、处理方面的困难以及由于膨胀或降解而导致的机械性能的快速损失。这些基质在40周内失去了30%的原始重量，并支持培养的HMSCs的成骨表型发展。正在进行的研究正在评估这些基质进一步增强孔隙，降解，以及在多种组织类型中的生物相容性和组织愈合能力。