钟振宇 1,2,3,*徐军 1,2,3孙泽宇 1,2,3范奕波 1,2,3[ ... ]张胜民 1,2,3
1 华中科技大学先进生物材料与组织工程研究中心，武汉 430074
2 华中科技大学医疗器械监管科学研究院，武汉 430074
3 国家药品监督管理局医疗器械监管科学研究基地，武汉 430074
羟基磷灰石(HA)是人体硬组织的主要无机组分，具有良好的生物活性及生物相容性，能够有效促进硬组织缺损的修复再生。研究表明：单一离子掺杂是一种有效提升HA材料生物活性的途径。而双离子掺杂不仅可实现对天然骨成分上的进一步仿生，还可以协同赋予HA材料更多功能特性，例如抗肿瘤、抗菌、促血管生成、免疫调节、医学成像等，拓展了HA材料在骨组织工程中的应用。对双离子掺杂HA材料的制备方法及原理进行了总结，并综述了双离子掺杂HA材料在硬组织工程中的潜在应用，最后对双离子掺杂HA材料的未来研究重点提出了建议和展望。
双离子掺杂 羟基磷灰石 硬组织工程 微量元素 dual-ion substitution hydroxyapatite hard tissue engineering trace element
1 华南理工大学材料科学与工程学院生物材料系，广州 510641
2 国家人体组织功能重建工程技术研究中心，广州 510641
3 生物医用材料与工程教育部重点实验室，广州 510641
4 南方医科大学口腔医院，广州 510641
微纳米生物活性玻璃(MNBG)已被证明具有良好的生物活性，在骨、齿及皮肤创面修复及组织工程领域受到高度关注。在近些年的研究中，多种金属离子在MNBG的制备过程中被掺入材料的网络结构中，从而赋予MNBG各种理化及生物学功能特性。然而，MNBG的离子释放产物与人体细胞之间相互作用的确切机制尚不完全清楚，这促使国内外研究者对离子掺杂的MNBG进行了较深入的研究。本文综述了有关MNBG的制备方法和工艺流程及其溶解产物在骨、齿等硬组织修复，皮肤组织修复，癌症治疗及细胞成像等方面的应用。为进一步开发应用于生物医学领域的新型MNBG提供参考。
微纳米生物活性玻璃 离子掺杂 生物活性 组织工程 micro-nano bioactive glass ionic doping biological activity tissue engineering
1 浙江大学材料科学与工程学院，杭州 310030
2 浙江大学医学院附属口腔医院，杭州 310016
在骨修复领域中，通过构建天然骨再生微环境可加速骨修复进程。细胞微环境中的重要一环是生物电信号，它广泛存在于人体各种组织中，对干细胞分化、组织修复等具有关键调控作用。而电活性材料具有独特的电学特性，因此可借助电活性组织工程材料在骨缺损处模拟再生电学微环境，激发人体固有修复潜力，加速骨缺损的修复。本文根据所应用电学特性的区别，按铁电、压电、驻极效应和导电特性等类型，系统地综述了采用各种类型电活性材料促进骨修复的研究状况，为进一步研究提供了新思路。
骨组织工程 电活性 铁电 压电 驻极体 电刺激 bone tissue engineering electroactive ferroelectric piezoelectric electret electrical stimulation
1 中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室，有机纳米光子学实验室，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 101407
双光子聚合加工技术是基于双光子吸收效应的一种新型的微纳制造技术，已被广泛应用于微纳光子学、微机电系统、组织工程等领域。采用双光子聚合加工技术制备的3D水凝胶微结构形貌可控，而且具有高精度、适当的刚度以及良好的生物相容性等优势，可以更好地在体外模拟体内微环境，因而在生物医学领域展现出了巨大的应用潜力。本文简要介绍了双光子聚合加工技术的原理，综述了水溶性光引发剂的研究进展，着重介绍了双光子聚合加工技术制备水凝胶的研究现状及其在仿生学、生物医学等领域的应用。
材料 双光子聚合 水凝胶 生物相容性 微结构 细胞支架 组织工程 中国激光
2023, 50(21): 2107401
骨修复支架在植入缺损处后出现的炎症与氧化应激有关, 其中过氧化氢(H2O2)浓度过高是引起氧化应激的主要原因之一。二氧化锰(MnO2)能够通过催化分解H2O2来消除植入物周围环境过量的H2O2, 同时催化H2O2分解产生的氧气(O2)能够缓解骨缺损处因血供不足而导致的缺氧环境, 从而有利于骨组织再生与骨缺损修复。本研究采用简单的氧化还原法在3D打印制备的生物活性玻璃(BG)支架表面原位沉积MnO2颗粒, 得到BG-MnO2复合支架(BGM), 赋予BG支架清除H2O2的同时提供O2的能力。研究结果表明, BGM支架表面沉积MnO2含量随反应溶液中高锰酸钾浓度升高而增加, 其抗压强度随MnO2含量增加而增强, 但这些支架的孔隙率和降解速度基本保持不变。更为重要的是, BGM支架能够在H2O2环境中持续催化分解H2O2产生O2, 当不同Mn含量的BGM (BGM5和BMG9)支架在浓度为2 mmol/L的H2O2溶液中催化分解H2O2产生的O2能使溶液中饱和氧浓度分别达到8.4和11 mg/L。细胞实验结果表明, BGM支架对骨髓间充质干细胞的增殖和碱性磷酸酶活性有一定促进作用。因此, BGM支架在骨组织修复领域具有较大的应用潜力。
生物活性玻璃支架 二氧化锰 氧化应激 三维打印 骨组织工程 bioactive glass scaffold manganese dioxide oxidative stress 3D printing bone tissue engineering 
Author Affiliations
Abstract
1 University of Shanghai for Science and Technology, Institute of Photonic Chips, Shanghai, China
2 University of Shanghai for Science and Technology, School of Optical-Electrical and Computer Engineering, Centre for Artificial-Intelligence Nanophotonics, Shanghai, China
The creation of biomimetic neuron interfaces (BNIs) has become imperative for different research fields from neural science to artificial intelligence. BNIs are two-dimensional or three-dimensional (3D) artificial interfaces mimicking the geometrical and functional characteristics of biological neural networks to rebuild, understand, and improve neuronal functions. The study of BNI holds the key for curing neuron disorder diseases and creating innovative artificial neural networks (ANNs). To achieve these goals, 3D direct laser writing (DLW) has proven to be a powerful method for BNI with complex geometries. However, the need for scaled-up, high speed fabrication of BNI demands the integration of DLW techniques with ANNs. ANNs, computing algorithms inspired by biological neurons, have shown their unprecedented ability to improve efficiency in data processing. The integration of ANNs and DLW techniques promises an innovative pathway for efficient fabrication of large-scale BNI and can also inspire the design and optimization of novel BNI for ANNs. This perspective reviews advances in DLW of BNI and discusses the role of ANNs in the design and fabrication of BNI.
direct laser writing neuron interface neural tissue engineering artificial neural networks Advanced Photonics
2022, 4(3): 034002
1 1.上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200444
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室, 上海200050
3 3.中国科学院大学 材料科学与光电工程研究中心, 北京 100049
生物材料表面微结构对于成骨具有重要的影响, 该研究以不同粒径(< 60 μm)的羟基磷灰石(HA)微球状粉体为原料, 通过3D打印技术制备了一系列(HA0、HA10、HA30、HA50)生物陶瓷支架。不同支架具有相似的理化性能, 由于微球粒径不同形成了不同的微结构, 对其生物学性能造成不同的影响。相比传统非微球颗粒打印的支架(HA0), HA微球构成的支架能够提供更多细胞粘附和生长位点, 24 h的粘附实验显示HA30支架能显著促进骨髓间充质干细胞的伪足伸长; 培养5 d的细胞增殖实验显示, 微球支架上的细胞数量与HA0支架出现显著性差异, 表面微球结构与细胞尺度相当的HA30支架具有最好的促增殖效果。因此, 3D打印技术在可控制备HA支架宏观结构的同时, 还可以通过控制生物陶瓷粉体的颗粒形貌, 调控3D打印支架的表面微结构, 从而优化其生物学效应, 在骨组织工程领域具有良好的应用前景。
HA微球 3D打印 支架 骨组织工程 hydroxyapatite microspheres 3D printing scaffolds bone tissue engineering
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Basic Medical Sciences, Faculty of Dentistry Near East University, Near East Boulevard Nicosia 33000, Mersin 10, Turkey
2 The DESAM Institute, Near East Boulevard Lefkosa 33000, Mersin 10, Turkey
3 Department of Pediatric Dentistry, Faculty of Dentistry Near East University, Near East Boulevard Lefkosa 33000, Mersin 10, Turkey
4 Department of Periodontology, Faculty of Dentistry Near East University, Near East Boulevard Lefkosa 33000, Mersin 10, Turkey
This study was conducted to understand the cellular proliferative effect of Photobiomodulation Therapy (PBMT) on thawed dental pulp stem cells (DPSCs) stored for 2 years. For this purpose, cells were exposed to PBMT for short period of time to evaluate the most appropriate PBMT parameter for stimulating cellular proliferation that can be used for future tissue engineering therapies. Fully characterized DPSCs were seperated into three groups according to the laser energy densities (5 J/cm2 or 7 J/cm2) applied and a group was served as control in which cells did not receive any laser irradiation. The cells in laser-irradiated groups were further divided into two subgroups according to the period of application (24 h and 0 h) and exposed to Gallium– Aluminum–Arsenide diode laser irradiation. Cell viability and the proliferation rate of the cells were analyzed with the 3-[4,5-dimethylthiazol-2-yl]-2,5 diphenyl tetrazolium bromide (MTT) assay, any PBMT related cellular cytotoxicity were determined by performing a lactate dehydrogenase assay (LDH) and statistical analysis of data were performed. The percentage of proliferation seemed to increase upon laser therapy in both different doses of irradiation (5 J/cm2 and 7 J/cm2). DPSCs showed significantly higher proliferation rate upon 7 J/cm2 irradiation in both 0 h and 24 h when compared to control groups. However, DPSCs irradiated with 5 J/cm2 dose induced relatively lower proliferation rate when compared to 7 J/cm2 dose of irradiation. According to the LDH data, PBMT exposure did not show any significant cytotoxicity at both energy densities in all different time periods. PBMT at 7 J/cm2 should be an effective parameter to stimulate proliferation of long-term cryopreserved DPSCs in a short term time period. Photobiomodulation therapy may be an upcoming tool for future tissue enngineering and regenerative dentistry applications.
PBMT tissue engineering proliferation short-term cytotoxicity. Acknowledgment This research did not Journal of Innovative Optical Health Sciences
2021, 14(3): 2150006
1 中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学实验室, 北京 100190
2 中国科学院大学未来技术学院, 北京 101407
对双光子引发剂的设计合成和飞秒激光双光子聚合技术的基本原理进行了简单介绍。着重介绍了用于水凝胶双光子聚合的引发剂的研究进展,主要包括通过扩大共轭链长度、引入强供/吸电子基团、加入共引发体系等来增大双光子吸收截面,引入自由基淬灭基团以降低荧光量子产率,增加引发剂的水溶性来降低微结构细胞毒性等方面。这些研究为生物相容性三维水凝胶微纳结构的制备及应用提供了科学基础,是更好地模拟体内细胞生长微环境的必要条件。接着,介绍双光子聚合制备的水凝胶微纳结构及其在组织工程领域中的应用。最后,对生物相容性水凝胶微结构在应用中存在的问题与未来发展趋势进行总结和展望。
材料 双光子引发剂 水凝胶 双光子聚合 微结构 生物相容性 组织工程
1 同济大学口腔医学院, 上海牙组织修复与再生工程技术研究中心, 上海200072
2 上海交通大学医学院附属第九人民医院, 上海 200011
3 上海健康医学院, 上海 201318
生物陶瓷支架具有良好的生物相容性和引导组织再生特性, 并可提供多孔的表面形貌和孔道结构, 以促进新生组织的长入, 在硬组织修复和骨组织工程支架领域获得了广泛的关注和临床应用。当前, 生物陶瓷支架仍然存在骨诱导活性差、生物功能单一、力学性能差等缺陷, 极大限制了它们的临床治疗效果和应用范围。本文从生物陶瓷支架的功能改性角度出发, 对材料实施表面功能涂层修饰、微纳结构改性、功能元素掺杂、力学增强等策略, 及其在改善植入体生物相容性、促进成骨活性、药物递送、抗肿瘤和抗菌等方面的应用进展进行了归纳和总结, 并对功能改性生物陶瓷支架的未来发展趋势作了展望。
生物陶瓷 骨组织工程支架 表面改性 微纳结构改性 元素掺杂改性 药物递送 综述 bioceramic bone tissue engineering scaffold surface modification micro-/nano-structure functional element doping drug delivery review
