近期，来自维多利亚大学的Mohsen Akbari教授在科爱创办的期刊Bioactive Materials上发表文章。骨组织的修复能力有限，生物工程复合支架在骨修复和再生方面具有广阔的应用前景。纤维素基支架被广泛用于将生长因子和抗生素直接输送到受损的骨组织部位促进组织修复。本文综述了纤维素基复合支架包括纤维素-有机复合材料、纤维素-无机复合材料、纤维素-有机/无机复合材料在局部骨给药系统和骨再生中的应用及前景。
引言
因创伤、意外、手术、先天性畸形和肿瘤切除，大量骨丢失因缺乏自我再生能力，严重影响患者的生活质量。自体骨移植一直被认为是外科手术的金标准。不幸的是，它们有几个缺点，包括供体部位不足，需要额外的手术，以及着床部位感染的风险增加。同种异体骨移植是另一类骨移植，其供体部位不足，存在病原体传播和免疫排斥的风险。惰性非生物活性金属植入物也被用于治疗大型骨缺损。然而，这些种植体与周围组织的整合以及种植体与天然骨之间的力学不匹配阻碍了它们的临床应用。
基于使用生物材料、细胞和生物活性分子的组织工程的骨修复治疗方法已经出现。理想的骨支架必须为细胞附着、生长和分化提供理想的环境，而不会引起任何毒性和免疫副作用。具有相互连接的多孔网络、适当的机械性能和适当的生物降解性的仿骨支架来构建类似于天然结构的功能性骨。在骨组织工程中，几种类型的聚合材料被用来提供结构支持和组织再生。胶原蛋白和明胶等蛋白质具有许多优点，如高生物相容性、低毒性和增强的细胞反应;然而，它们不能在生理条件下提供足够的机械强度和稳定性。多糖如壳聚糖、海藻酸盐和淀粉有许多优点，包括生物降解性和生物相容性，但它们很脆弱，通常不包含促进细胞附着和渗透的细胞结合部分。相比之下，合成聚合物(如PLA, PCL, PHB和PVA)表现出强大的机械性能和可调的机械性能和体内稳定性。然而，它们的生物活性和细胞附着在骨组织工程中是不够的。在这些聚合物中，纤维素是一种线性多糖，大量存在于多种植物(棉花、韧皮植物、木材和竹子)和一些生物体(细菌、真菌、藻类)的天然来源中。值得注意的是，原始或化学改性形式的纤维素由于具有高特异力学性能、无免疫原性、无毒、来源丰富、生产成本低等显著优势，是制备骨替代品最常见的多糖之一。从应用角度看，纤维素酯化和醚化是最关键的改性工艺。醋酸纤维素作为纤维素-纤维素酯，甲基纤维素、乙基纤维素、氢乙基纤维素和羧甲基纤维素作为纤维素醚是生物医学和制药中著名的有吸引力的纤维素衍生物(图1)。再生纤维素是另一种经过化学处理的纤维素，通过将纤维素溶解在碱和二硫化碳中制成粘胶溶液。而纤维素水解则产生微晶和纳米晶纤维素衍生物。纤维素及其衍生物具有许多优良的性能。为了改善材料性能，通过结合两种或两种以上的化合物来开发纤维素基复合材料，从而得到一种具有特定性能的合适基质，这是任何单独的成分都无法达到的。通过将纤维素与不同的有机和无机化合物结合，广泛的研究工作被用于调整骨支架的机械性能、生物降解、生物活性和优越的生物性能。此外，纤维基复合材料能够装载治疗药物，以增强骨诱导、骨传导和抗炎性能的骨修复。因此，基于纤维素的复合材料很有可能成为再生医学和骨组织工程应用的理想候选者。
图1.纤维素及其衍生物的化学配方
1. 纤维素-有机复合支架
纯纤维素在人体内不能生物降解，骨结合能力差，限制了其在骨组织工程中的临床应用。将有机相加入到纤维素基质中，提高了纤维的机械强度、生物矿化和刺激成骨分化以及生物降解性。包括纤维素酯、一些纤维素醚或结晶衍生物。
1.1. 细菌纤维素-有机复合材料
细菌纤维素-有机复合材料可以由微生物如木糖醋杆菌，糖醋杆菌，农杆菌产生。与植物纤维素相比，BC具有更高的结晶度(60%以上)和化学纯度，不含木质素或半纤维素杂质。这种高结晶度线性生物聚合物具有细组织纳米纤维(~ 20-100 nm)，具有大表面积、高持水能力和机械强度。
1.2. 醋酸纤维素-有机复合材料
醋酸纤维素是纤维素的醋酸酯形式，是有机试剂和溶剂产生的最丰富的天然多糖，需要指出的是其结构在成分上是独特的(与乙酸基团在主主链上占据约2 / 3的羟基)。值得注意的是，CA是一种具有可调节生物降解性、润湿性的环保材料，并且可以将该材料的可再生性与令人钦佩的可加工性结合起来使用。虽然CA的结晶度较低，但由于与其他形式的纤维素相比，该材料具有理想的机械强度和电可纺性，因此更有利。Chen等人提出了一种RC-聚乳酸复合支架，采用静电纺丝和冷冻干燥相结合的方法用于骨损伤后的生物矿化和组织再生(图2 A，B)。由于电纺纳米纤维用于骨移植的厚度小、形状受限，可以采用冷冻干燥的方法来制备稳定的三维多孔支架。
1.3. 羧甲基纤维素-有机复合材料
羧甲基纤维素是一种亲水多糖，由氯乙酸对纤维素在碱性环境下化学改性而成。羧甲基纤维素由葡萄糖单位的C2、C3或C6位置的羧甲基组成。因其亲水性和灵活性，在体外可以促进成骨细胞的附着、增殖、迁移和分化。
1.4. 羟乙基纤维素-有机复合材料
羟乙基纤维素是一种具有β-葡萄糖键的水溶性非离子生物聚合物，能够与各种化学官能团结合。基于羟乙基纤维素的复合材料已通过静电纺丝和冷冻干燥等各种技术制成，作为骨组织工程支架。这种纤维素醚由于其非离子性质，必须与静电纺丝过程中的可电纺生物相容性聚合物混合。SA-tempo氧化CNF水凝胶具有更好的形状保真度、机械和生物性能，3D打印用于骨修复应用。CNF增强了SA的触变性能和打印能力;用氯化钙溶液交联打印的SA-CNFs水凝胶，获得刚性稳定的支架。据报道，SA链和tempo氧化CNFs上的羧基官能团都倾向于与钙离子发生反应，这导致CNFs在聚合物链上的强结合，从而提高了机械强度。同样，还发现加入tempo氧化CNFs可以改善水凝胶的刚度和抗压性能。此外，在tempo氧化CNFs和交联剂的存在下，生物矿化产生了平均晶体大小为25.4 nm的羟基磷灰石，这与天然骨组织中的天然磷灰石相似(图2C)。
1.5. 纳米或微晶纤维素有机复合材料
近年来，碳纳米纤维在骨组织工程中的应用受到了广泛的关注，尤其是机械增强剂和生物矿化剂。CNC的棒状颗粒是通过在酸性介质(如硫酸和磷酸)的苛刻水解条件下保持纤维素的晶体区域并去除非晶态区域来制备的。采用机械技术制备了由非晶态和结晶区组成的柔性类纤维CNF，其直径小于100 nm，长度≥500 nm。CNF已广泛应用于骨组织中碳纳米纤维和碳纳米纤维在骨组织工程中的应用，特别是机械增强和生物矿化剂。碳纳米纤维因其可印刷性、离子沉积和产生骨-支架界面的能力而被广泛应用于骨组织应用和再生医学。Maturavongsadit等人以CS-CNC为基础，结合BGP胶凝剂和HEC合成用于骨生物打印的水凝胶。当支架含有CNCs和MC3T3-E1细胞时，CS和CNCs之间的体积分数和氢键可以增加水凝胶的粘度。在37◦C，聚合物链中含有乙二醛基团的HEC可以通过CS胺基与HEC醛基之间的希夫碱反应生成水凝胶。ALP活性，胶原合成，以及产生的水凝胶的高容量细胞包封使它们适合于骨缺损愈合(图2D)。
图2.A.PLA/RC 支架示意图。B.用仿生方法在聚乳酸/RC支架中实现钙磷成核。C.不同形式的3D打印T-CNF/SA水凝胶。D.3D打印细胞包裹的生物墨水在37◦C自发凝胶化。
2. 纤维素-无机复合支架
骨组织工程中以纤维素为基础的各种材料(细菌纤维素、植物纤维素、醋酸纤维素酯、羧甲基纤维素和纳米纤维素)以及在纤维素中添加无机材料。以磷酸钙为基础的生物陶瓷材料如羟基磷灰石是公认的骨诱导无机材料，而生物活性玻璃是公认的骨诱导生物材料。脆性和低断裂韧性仍然是一个巨大的挑战。细菌纤维素-无机复合材料具有更小的纳米纤维和更高的抗拉强度。无机材料如HAP、CP和BG的加入可以诱导骨传导和骨诱导，但脆性和机械强度弱是无机材料的主要缺点。纤维素是植物细胞壁的主要结构成分，可以很容易地从植物来源，特别是木材和棉花中提取。机械强度和柔韧性，并提供可调节的生物降解性。良好的机械强度、吸水率、生物活性和细胞相容性。醋酸纤维素-无机复合材料。为了在纤维素载体上诱导骨形成和羟基磷灰石矿化，人们探索了不同的技术，如羟基磷灰石涂层、粘附肽的接枝、氧化和磷酸化。羧甲基纤维素-无机复合材料。纳米纤维素-无机复合材料。具有良好的生物相容性、可再生性、非免疫原性和刚性。碳纳米管和碳纳米管具有~130 GPA的杨氏模数，加上由于含有大量的羟基而提供了高度亲水的底物，使其成为潜在的骨组织工程候选材料。无机相改善了有机材料的物理化学性。纤维素-无机复合体具有良好的物理、化学、机械和生物学性能，特别是在骨组织再生方面。
2.1.细菌纤维素-无机复合材料
细菌纤维素非动物来源，与COL相比，细菌纤维素是相容的，不会引起任何过敏反应。有趣的是，多项研究报道细菌纤维素和COL纤维在结构上相似。BC的结构性质与植物纤维素不同;纳米纤维网络结构使其具有更小的纳米纤维和更高的拉伸强度。细菌纤维素在骨组织工程中的主要缺陷是不能直接与骨组织结合。
2.2.植物纤维素-无机复合材料
纤维素是植物细胞壁的主要结构成分，可以很容易地从植物中提取，尤其是木材和棉花。植物来源的纤维素价格低廉，供应充足。植物纤维具有优异的机械强度和柔韧性，并可调节生物降解，可促进HAp性能，如改善机械性能和增加体外降解率，以产生明确的骨组织样结构。虽然胶原蛋白是骨骼结构的自然组成部分，可以作为HAp成核和生长的合适部位，但其机械强度不足。植物纤维素的物理化学和生物效应已在许多研究领域进行了研究。
2.3. 醋酸纤维素-无机复合材料
为了在纤维素衍生物上诱导骨形成和HAp矿化，人们探索了不同的技术，如HAp涂层、粘结肽接枝、氧化和磷酸化。尽管HAp可以促进骨细胞的成骨分化和生物矿化，但其力学性能差，在聚合物溶液中分散聚集性差。为了克服机械强度和分散性差的问题，采用了一些技术，包括表面功能化和共静电纺丝纳米颗粒。多研究利用纯纤维素的独特性能，如良好的机械强度、较高的结晶度、较低的溶解度、较好的亲水性和体外降解慢，这在骨组织工程中更有利。例如，Sofi等人通过碱性去乙酰化技术开发了RC纳米复合静电纺支架。然后，通过静电和范德华相互作用将HAp和Ag NPs通过表面涂层加入到制备的纳米纤维中(图3A)。使用丙酮-水溶剂作为分散剂，然后使用氢氧化钠对RC纳米纤维进行脱乙酰。HAp和Ag的掺入促进了磷灰石层的形成和生物性能的提高。此外，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性增强。
2.4. 羧甲基纤维素-无机复合材料
近年来，羧甲基纤维素在骨组织工程中的应用引起了广泛的关注。羧甲基纤维素作为一种纤维素衍生物，其结构非常壮观，因为它的发展过程如下:用羟基取代部分羧甲基基团，从而获得更高的生物相容性和水溶性，设计用于广泛的生物医学需求，如细胞粘附性能，以制备组织工程支架。Sarkar等人进行了另一项研究，旨在通过添加碳纤维(CF)来增强CMC-HAp复合支架的力学性能，其抗压强度、弯曲强度和弯曲模量在与人体骨组织相同的膜中加入CF后显著提高(图3B)。因此，优异的生物相容性、生物降解性和生物活性使CMC成为生成骨组织样结构的多功能平台。
2.5. 纳米纤维素-无机复合材料
纳米纤维素因其可靠和可调的特性(如优异的生物相容性、可再生性、非免疫原性和刚度)而被认为是生产生物复合支架的有前途和强大的材料。此外，其具有杨氏模量~130 GPa，加上由于大量的羟基而提供高度亲水的底物，这使得其成为与COL或SF相当的骨组织工程的潜在候选者。
图3.制备含HAp和Ag NPs的再生纤维素纤维的示意图。B.三维碳纤维增强CMC-HAp三元复合材料的制备示意图。
3. 纤维素-有机/无机复合支架
纤维素-有机/无机复合支架需要选择合适的有机和无机生物材料的组成，并通过适当的制备方法将其组织在一个均匀的整体网络中。包括细菌纤维素-有机/无机复合支架，植物纤维素-有机/无机复合支架以及醋酸纤维素酯-有机/无机复合材料，羧甲基或羟丙基甲基纤维素-有机/无机复合材料，乙基纤维素和羟乙基纤维素-有机/无机复合材料。纳米或微晶纤维素作为有机-无机复合材料的机械增强剂。原始或化学修饰的纤维素在有机/无机生物复合材料中表现出从基质材料或交联剂到增强剂或分散剂的各种作用。纤维素或其衍生物在增强骨复合材料的物理和力学性能方面起着主要作用，但考虑到磷灰石晶体的亲水性和成核的离子中心，它们的生物活性不能被忽视。
3.1.细菌纤维素-有机/无机复合材料
用于骨组织工程的多组分细菌纤维素-有机/无机复合材料已经进行了大量的研究。有研究构建含HAp NPs的BC-GEL双网络支架增强力学性能。为此，制备了BC-HAp网络，在纳米复合材料中加入GEL来调节脆性和刚度。与BC-HAp和BC-GEL相比，最终制备的纳米复合支架具有较高的抗压强度和抗拉强度。通过HAp NPs在BC网络结节处的自组装和GEL分子在这些位点上的累积应力的耗散，该纳米复合材料的结构得到了机械稳定。生物学实验结果显示，在BC-GEL/HAp网络上培养的大鼠骨髓源性间充质干细胞比在BC-GEL网络上培养的骨髓源性间充质干细胞具有更好的粘附性和更高的增殖能力(图4 A, B)。
3.2.植物纤维-有机/无机复合材料
在确定的表面处理下，用PLGA和纳米- hap组成BFs，然后评估BFs的长度和浓度的影响，以获得理想的骨再生支架。
3.3. 醋酸纤维素-有机/无机复合材料
Luo等人通过静电自组装制备了用于沉积cs - MWCNTs的CA复合静电纺支架，并将其与CS-SA支架进行了比较，以评估MWCNTs对其性能的影响。结果表明，与CA-CS-SA多层膜相比，CA-CS-MWCNT纳米复合支架的力学性能明显提高。此外，由于多壁碳纳米管具有优越的蛋白质吸附能力，从而增加了磷灰石的形成，从而显著提高了生物性能。
3.4.羧甲基纤维素-有机/无机复合材料
羧甲基纤维素是一种阴离子聚合物，与CS等阳离子生物材料具有高静电相互作用能力，形成聚电解质复合物。与纯CS相比，这种聚合物共混物产生了一种机械稳定的支架，在硬组织再生方面具有很高的应用潜力。CMC具有促进磷灰石成核、亲水性、柔韧性和止血的作用，被用作三元复合材料的基体。He等人将COL与CMC结合，为HAp沉积提供了具有高反应位点的双分子模板构建高强度三相复合材料。无机HAp的原位沉积发生在前驱体Ca (NO3)2和Na2HPO4滴入CMC-COL溶液的过程中。这种具有丰富羧基的生物分子模板可以作为Ca2+阳离子和PO43的配位键的活性位点。这种含有沉积的HAp纳米晶体和表面粗糙纹理的CMC-COL三维微孔复合材料具有良好的体外生物相容性(图4C)。
3.5.(羟丙基)甲基纤维素-有机/无机复合材料
HPMC属于纤维素醚家族，可溶于水和一些极性有机溶剂。这种亲水性生物聚合物已在食品、化妆品、制药、生物医学和粘合剂等不同行业中得到应用。这种阴离子生物聚合物可以作为其自身的反向电荷聚合物对应物的适当交联剂。
3.6.乙基纤维素和羟乙基纤维素-有机/无机复合材料
乙基纤维素是一种ph不敏感的纤维素醚，可溶于多种极性溶剂，但不溶于水，因此在基质中可作为非膨胀性组分。相反，非离子型羟乙基纤维素在不同温度下可溶于水中产生粘性溶液，但在极性最强的溶剂中不溶。在骨组织工程中，PLA与含有HAp的亲水EC的复合材料被开发为承重骨替代品。
3.7.纳米或微晶纤维素-有机/无机复合材料
纳米或微晶纤维素作为有机-无机复合材料支架的机械增强剂受到了广泛的关注。介绍了一种用于小梁骨组织工程的新型仿生纤维素-聚乳酸/HAp纳米复合材料。使用偶联剂，即十二烷基硫酸钠，将棉源MCC和HAp NPs均匀地分散到聚合物网络中。PLLA基体与增强体之间的化学键合和有效界面使纳米复合材料的结晶度提高到80%。同时，当MCC/PLLA和HAp/PLLA的重量比从0.1增加到0时，压缩屈服应力从0.127提高到2.2 MPa。
图4 A. BC-GEL/HAp水凝胶的制备工艺示意图。B.外载荷作用下BC-GEL/HAp复合材料的应力耗散示意图。C. Col-CMC/HAp复合材料形成机理示意图
4. 纤维素基复合材料作为局部递送系统
局部治疗药物，包括生长因子、生物活性蛋白、抗生素和抗炎药物已被用于治疗干预，以刺激和促进受损骨的自然愈合过程。药物载体变得必须物理或化学地吸收有效剂量的治疗剂，并在要求的时间内以受控的方式将它们输送到特定的靶点。由于纤维素及其衍生物的性质，它们很有可能成为药物输送系统的候选者。
4.1. 生长因子传递
自然骨愈合过程可分为三个主要阶段:成骨、成骨诱导和骨传导。生长因子如TGF、FGF、BMP等在这些阶段的骨愈合中起着至关重要的作用。生长因子，如转化生长因子、成纤维细胞生长因子、骨形态发生蛋白等，在这些阶段的骨愈合中起着至关重要的作用。生长因子传递自然骨愈合过程可分为三个主要阶段：成骨、骨诱导和骨传导。从蛋白质到小分子药物的各种治疗剂通过浸泡方法加载到基于纤维素的递送系统中，并在几天到几个月内释放。其中，BMP已被美国食品和药物管理局(FDA)批准用于商业用途。天然或重组人bmp，如rhBMP-2和rhBMP-7，作为一种强大的成骨诱导因子，常用于临床和实验性骨缺损。从治疗的角度来看，有效地将BMP运送到目标部位是一个至关重要的问题。在这种情况下，一些基于BC、CMC和CNC的纤维素支架被开发出来，用于在局部受伤的骨组织中管理这种重要蛋白质的治疗剂量。目前的一些研究报道了基于物理相互作用的简单浸泡法将BMP包埋到BC支架中。获得的BC支架被浸泡在GF溶液中，以物理吸附负载分子到载体上。例如，制备了bmp -2包被BC的纳米纤维成骨支架，用于在损伤骨部位持续释放生长因子。bmp -2负载的支架通过以剂量依赖的方式增加ALP活性，诱导小鼠成纤维细胞样C2C12细胞向成骨细胞分化(图5B)。皮下植入支架促进细胞浸润，高效异位骨形成。作者认为BC支架能够降低BMP-2的扩散率，并有效地将其保留在损伤部位。
4.2.抗生素递送
感染和炎症是发生在创伤性损伤或组织损伤后的骨修复中的难题。为了解决这些问题，在庆大霉素、万古霉素和双氯芬酸钠等抗生素和抗炎药物的局部给药领域进行了值得注意的研究。这些小分子药物被浸渍在不同的纤维素载体中，如BC膜、EC微球和CMC水凝胶或涂层，用于骨修复的药物应用。Liu等人制备了含有头孢他啶负载EC微球的HAp/PU支架用于骨再生。采用乳液-溶剂蒸发法制备头孢他啶包封的EC微球。EC微球的药物释放持续了40天，比含有HAp/PU支架的EC释放速度低20天，这是由于存在两个聚合物传质障碍(图6C)。
图5. A.骨组织工程中基于纤维素的不同给药系统示意图。B.植入后BC-BMP-2支架的ALP活性(L-BMP-2/BC为BMP-2 225 mg/ml, H-BMP-2/BC为BMP-2 450 mg/ml)。C. EC微球和HAp/PU支架对头孢他啶的累积释放(微球/支架- l和微球/支架- h分别为含100 μg和200 μg头孢他啶的EC微球/ HAp/PU支架)。
本文综述了纤维素及其衍生物作为骨修复复合支架材料的作用和功能。使用这种低成本、可用、生物相容性和生物可降解的多糖的需求在组织工程和药物输送应用中不断增长。总之，纤维素生物材料因其结晶性而具有很强的机械强度。它们还具有很高的化学修饰能力，并通过许多羟基官能团与其他有机和无机生物材料相互作用。纤维素及其衍生物可以与不同的有机生物材料结合，通过提供磷灰石成核位点来机械增强网络或提供生物支持。纤维素-无机复合材料增加了支架的柔韧性。由纤维素和有机/无机生物材料制成的性能互补，用于骨修复。因此，原始或改性形式的纤维素由于其独特的亲水性、分散性以及生物矿化、机械增强和交联性的能力，是一种很有前途的生物材料。纤维素基复合支架有望用于修复和再生受损的骨组织，但在制备技术、生物活性物质的负载以及与多种生物材料的结合等方面还有待进一步的评价。在基于支架的骨组织工程中，血管化是最重要的挑战之一。合理设计促进血管生成和血管化的纤维素基生物复合材料有待进一步研究。综上所述，纤维素基复合支架是修复和再生受损骨组织的有希望的候选者，然而，似乎需要进一步评估制造技术，生物活性剂的负载，以及与多功能生物材料的组合。从实验室到临床的转换障碍通常仍然是一个重大挑战。与现有临床前模型的不准确性、灭菌、知识产权考虑相关的挑战。虑到用于骨组织工程的支架将在植入部位停留很长一段时间，安全性验证应包括细胞毒性、致敏性、刺激性、急性和慢性全身毒性以及血液相容性终点。此外，性能研究应该能够评估支架促进缺损区域组织再生的能力。最后，制造过程应确保可扩展性和可重复性。因此，最大限度地降低纤维基复合材料设计和开发的复杂性是至关重要的。
原文信息
Mahsa Janmohammadi, Zahra Nazemi, Amin Orash Mahmoud Salehi, Amir Seyfoori, Johnson V. John, Mohammad Sadegh Nourbakhsh, Mohsen Akbari.
Cellulose-based composite scaffolds for bone tissue engineering and localized drug delivery.
Bioactive Materials, 20 (2023) 137-163.
