Advanced Functional Materials:柠檬酸基单宁桥连的复合骨材料促进腰椎骨融合

模拟天然骨化学组成的有机/无机复合材料被广泛用作仿生人工骨支架,然而由于有机相与无机相相容性差,易导致相分离,机械性能降低,以及骨整合和骨再生效果差。通过在HA表面接枝聚乳酸(PLA)、聚氨基酸等有机聚合物虽能改善有机相和无机相的相容性,但这些表面修饰策略很大程度上受到无机粒子表面特性的限制且通常需要对无机物进行必要的预处理。开发一种连接无机粒子和有机聚合物的普适策略具有十分重要的科学意义和实际应用价值。宾州州立大学杨健教授和南方医科大学郭金山教授及白晓春教授将仿生黏附策略引入,开发了一种普适的有机聚合物和无机粒子“桥连”策略,打破了两相界面,有效提高了有机/无机复合材料的机械性能并改善了其生物活性。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202002438)上。

Citrate-based tannin-bridged bone composite (CTBC)

贻贝(mussel)或单宁(tannin)启发的黏附策略中所采用的儿茶酚(catechol)或没食子酸(gallol)基团不但能通过形成共价键强力黏附在生物组织表面,还能通过表面连接、氢键等强力黏附在无机物表面,使其成为理想的有机物和无机物间的“桥连”分子。通过简便、高效的表面改性过程,使单宁强力锚定在无机相(羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA))表面(银纳米粒子也能同时原位生成并被固定在表面),并能通过化学反应与有机相(柠檬酸基聚合物)形成共价键结合(图1),打破了有机和无机相间的界面,能更好地模拟天然骨的结构,极大地提高了复合物的压缩强度(最高达325 MPa),超过了人体皮质骨的强度(100-230 MPa)。所开发的柠檬酸基单宁桥连的有机/无机复合骨科材料(CTBC)还充分展现了柠檬酸基聚合物和单宁及银纳米颗粒的生物活性,具有抗菌性、促进生物矿化、促进细胞粘附生长,以及骨传导和骨诱导活性。

该工作中构筑的CTBC在体内表现出良好的促进腰椎融合效果,该策略也能被广泛用于提高有机相和无机相的相容性。固定在CTBC表面的多官能度的单宁还保留了表面生物键合位点,可用来进一步提高材料的生物活性。