研究背景

在生物材料设计中，自然界中的无机/有机杂化材料因其微纳结构和卓越性能而受到广泛关注，如骨骼、牙齿等天然材料。尽管现有技术已尝试模仿这些天然材料，传统方法的加工复杂性和有机相与无机相分布不均等限制了其应用潜力。本研究旨在开发一种以壳聚糖（Chitosan）为有机相、以生物活性无机纳米颗粒（如羟基磷灰石、介孔二氧化硅或生物活性玻璃）为核心的纳米杂化材料（Chit@IOC），以实现超高无机含量、优异的机械性能以及药物控制释放功能，用于组织再生 。

天然无机/有机纳米杂化物因其超微结构和非凡特性而成为生物材料设计中的一个迷人模型。在此，我们报告了由生物活性无机纳米粒子内核（羟基磷灰石、生物活性玻璃或介孔二氧化硅）和壳聚糖外壳（即 Chit@IOC）组成的生物医学无机/有机纳米单元自组装的独特结构纳米杂交材料。壳聚糖薄壳无机内核的比例高达 90%，与传统复合材料形成鲜明对比。Chit@IOC 纳米杂化物在循环载荷下具有很强的弹性，与传统复合材料相比，其抵抗外力的能力几乎提高了一个数量级。纳米杂化物的表面形貌为纳米粗化，可通过刺激整合素介导的病灶粘附加速细胞反应。纳米混合物还能将多种治疗分子装入内核和外壳，然后依次释放，从而展示了可控递送系统。研究表明，纳米杂交桥在腔室中装载治疗分子（地塞米松、成纤维细胞生长因子 2 和苯海拉明）后，可刺激相关细胞的抗炎、促血管生成和成骨作用。在体内小腿缺损模型中植入三维打印支架形式的治疗纳米混合体后，证明能加速新骨形成。总之，由 Chit@IOC 纳米单元自组装的纳米杂交桥具有独特的性能（超高无机物含量、纳米形貌、高弹性、多重治疗递送和细胞激活），可被视为前景广阔的三维组织再生平台。

研究方法

• 纳米结构设计与制备：通过壳聚糖均匀包覆生物活性无机颗粒形成核壳结构，再通过自组装过程生成纳米杂化材料（Chit@IOC），无机含量高达90%。

• 多重药物递送系统：利用壳聚糖壳和核心的多重药物装载能力，实现了多种治疗分子的时序释放（如地塞米松、FGF2、Phenamil）。

• 体内外性能评估：在体外评估其与间充质干细胞（MSCs）的相互作用及其对骨再生的促进作用；通过小鼠颅骨缺损模型验证其体内骨再生能力 。

主要发现

    1. 独特的物理化学特性：

• 杂化材料具有纳米级粗糙表面，纳米粗糙度显著提升了细胞粘附性能。

• 表现出优异的机械弹性和高耐久性，在静态和动态应力下均能保持完整性。

• 超高无机含量（90%）远超传统复合材料（30-50%），为构建高强度植入材料提供了基础 。

     2. 多重药物控制释放：

• 实现了药物的时序释放，如外层的地塞米松可快速释放以缓解炎症，中间层的FGF2刺激血管生成，内核中的Phenamil促进成骨。

• 在体外试验中，药物释放在不同时间点分别发挥抗炎、促血管生成和骨形成的作用 。

     3. 骨再生能力显著：

• 在体外实验中，杂化材料显著促进了MSCs的粘附、增殖及骨相关基因的表达（如ALP和OCN）。

• 在体内，小鼠颅骨缺损模型显示，杂化材料不仅支持新骨形成，还能够提高骨体积和表面积，尤其是在负载多重药物的情况下，骨再生效果进一步增强 。

未来展望

该研究提出了一种高效、温和制备条件下的纳米杂化材料，具有超高无机含量、优异的机械性能和多重药物递送能力，展示了其在骨修复和组织再生中的潜力。未来应用可能包括骨骼、软组织以及神经组织修复，需进一步探索其在其他组织中的适用性和长期效果 。

设备应用

血管生成研究中，用JuLI Stage活细胞实时成像分析系统监测小管形成超过12小时，使用JuLI STAT分析软件进行量化分析。