作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 高强度激光诱导反向转移表面修饰纳米纤维钛涂层的细胞增殖和骨诱导机制:一种新的沉积方法
(a)以激光束扫描速度通过拟议的HILIRT技术在玻璃上沉积的NFTi层
钛作为植入材料的生物相容性归因于在空气和/或生理液体中自发形成的表面氧化物，并且认为细胞行为，例如
g
、粘附、扩散和增殖受到1
表面积2
润湿性3
表面羟基(末端羟基的表面羟基调节最初的蛋白质吸附行为)
(三)表面羟基和生物活性钛纳米粒子通过1
在成骨培养基中浸泡后在钛酸盐表面形成的钛羟基带负电荷，因此与液体中带正电荷的Ca2+离子选择性结合，最终形成磷酸钙
2
生物复合物(离子、蛋白质和生长因子)通过小窝介导的内吞作用被内化
前景:植入材料周围的骨形成和重塑
学分:科学报告，doi: 10
1038/s 14598-019-54533-z 在发表在《科学报告》上的一项新研究中，穆罕默德-侯赛因·贝吉和加拿大及伊朗工程与应用科学及细胞生物技术系的一个研究小组描述了一种形成骨组织工程生物相容性生物材料的新方法
他们利用高强度激光诱导反向转移技术，设计了网状三维二氧化钛纳米纤维涂层
该团队首先在环境空气中使用多个皮秒激光脉冲演示了烧蚀和钛(Ti)在玻璃基板上沉积的机理，以将理论预测与实验结果进行比较
他们使用扫描电子显微镜等方法，通过不同的激光脉冲持续时间，检查了通过涂覆二氧化钛纳米纤维结构而开发的玻璃样品的性能
为了理解新材料表面和生物细胞之间的相互作用
探索在新型生物材料上培养的人骨髓间充质干细胞的相互作用
为此，他们使用了各种实验室测试，包括比色法来了解细胞代谢活性(MTS分析)、免疫细胞化学、蛋白质吸附和吸收分析
结果显示，与未处理的基材相比，激光处理的样品的生物相容性显著改善
Beigi等人
在先进材料工程中，通过减少脉冲持续时间和生成具有更致密结构的二氧化钛纳米纤维，改进了他们的HILIRT技术
根据他们的发现，纳米结构的密度和被包覆的纳米纤维的浓度在通过骨髓间充质干细胞(骨源性间充质干细胞)的早期分化通过成骨分化(骨形成)形成骨组织的处理样品中产生生物活性方面起着关键作用
生物工程学家正在迅速开发用于骨再生的骨组织工程新技术(BTE)；改进再生医学中自体骨移植和异体骨移植方法的现有“金标准”
现有技术的缺点包括供体部位发病率和骨再生过程中营养补充有限
骨组织工程(BTE)是一个有前途的研究方向，以促进骨生长和修复，即使是在大规模的骨骼缺损
研究人员的目标是将干细胞用于BTE，因为它们在干细胞分化的同时具有自我更新能力，可以形成多种组织类型
因为材料表面的物理和化学性质可以影响人类间充质干细胞自我修复、分化和增殖的能力
因此，在BTE的应用中，材料和细胞可以一起工作，从而在骨重塑过程中为骨整合提供所需的平台
上图:功率= 10瓦、频率= 600千赫(a)脉冲持续时间= 150微秒(b)脉冲持续时间= 5毫微秒(c)脉冲持续时间= 30毫微秒(放大倍数为50000倍)的纳米钛层(纳米纤维二氧化钛)的扫描电镜图像
底部:(a) XRD图谱，(b)不同脉冲持续时间的裸玻璃和二氧化钛涂层样品的拉曼光谱(由Origin Pro 2019 B(GF3S 4-3089-7907079)创建)
招聘
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学分:科学报告，doi: 10
1038/s 14598-019-54533-z
研究小组以前使用了几种技术来生产BTE材料表面，包括溶胶-凝胶、水热106、静电纺丝和三维打印；然而，选择理想的方法仍然是一个挑战
例如，人工生物材料必须毫不费力地与生理液体相互作用，并与周围的硬组织和软组织同化，以保持细胞活性，从而获得优异的生物相容性
材料科学家和生物工程学家已经将钛及其合金用于整形外科植入物，允许基于钛纳米粒子的牙髓干细胞和脂肪干细胞的成骨
激光表面改性方法可以改性材料表面，提高表面生物相容性；其中HILIRT方法先前显示了设计芯片实验室组件和其他生物相容性生物材料的潜力
科学家可以改变激光参数来操纵材料表面，以帮助细胞分化
在目前的工作中，贝吉等人
使用HILIRT方法研究激光脉冲持续时间对材料表面的影响，并使用实验室中的材料表征和生物学测试来测试合成生物材料的生物学行为
他们利用基因表达、矿化和蛋白质相互作用的研究来研究物质表面的细胞-物质接触
科学家们开发了一种纳米二氧化钛薄膜，并将其浸泡在模拟体液(SBF)中，以形成羟基磷灰石(透明质酸)样的层结构，并使用水接触角(CA)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱(EDS)分析、显微拉曼和X射线衍射(XRD)光谱确定了材料的表面改性
TOP:理论消融深度曲线，作为脉冲持续时间为150 ps、5 ns和30 ns的半径的函数(在MATLAB R2015b软件中创建(9
六
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工具
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底部:(a) XRD图谱，(b)在SBF浸泡2天后，不同脉冲持续时间的裸玻璃和二氧化钛涂层样品的拉曼光谱，(c) XRD图谱，(d)在SBF浸泡4天后，不同脉冲持续时间的裸玻璃和二氧化钛涂层样品的拉曼光谱
四
(a)
(b)不同脉冲持续时间的裸玻璃和二氧化钛涂层样品的拉曼光谱(由Origin Pro 2019 B(GF3S 4-3089-7907079)创建)
招聘
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学分:科学报告，doi: 10
1038/s 14598-019-54533-z
他们以不同的脉冲持续时间沉积纳米二氧化钛结构，形成激光纳米纤维涂层的光滑表面，并测试所得先进材料的化学和物理组成
当他们减少脉冲持续时间时，钛的重量百分比增加，科学家观察到，在150皮秒(ps)的较短脉冲持续时间内，辐照区的温度明显高于5纳秒(ns)和30纳秒(ns)
减小的脉冲持续时间在更短的时间内将功率传输到目标，导致热影响区具有更高的温度，从而允许更密集的等离子体羽流在玻璃衬底上形成更多的NFTi结构
减小激光脉冲持续时间产生了生物相容性更好的钛纳米纤维，样品上沉积了更高含量的羟基磷灰石样物质
利用二氧化钛涂层玻璃表面成纤维细胞样骨髓间充质干细胞的相差显微镜图像
观察到的正常细胞形态
他们测量了水滴在材料样本上的水接触角，并对生长在纳米钛涂层上的干细胞进行了细胞毒性试验
涂有NFTi 150 PS的材料显示出最高的吸收率(称为S1组)，随后具有高的细胞存活率、细胞粘附和代谢活性
当研究人员使用免疫荧光染色来观察细胞迁移时，S1样本(具有150 ps的NFTi涂层)显示出更高的细胞迁移率
为了证实干细胞(BMSC)的分化，科学家们使用定量qRT-PCR研究了RUNX2、ⅰ型胶原、骨桥蛋白和骨连接蛋白基因的成骨相关基因表达。
在样本中，S1样本显示所有成骨相关基因的相对表达显著较高
左图:7天之后，用羊毛脂素染色细胞，观察(a，c)和定量(b)所有样品中肌动蛋白丝的扩张和迁移
第一栏是DAPI核染色(蓝色)，第二栏是荧光素标记的肌动蛋白(红色)，第三栏是免疫染色细胞成分的重叠荧光图像(合并:DAPI/肌动蛋白)
B中的红色条表示S1、S2和S3样品中玻璃上肌动蛋白丝的强度百分比，蓝色条表示NFTi涂层区域中肌动蛋白丝的强度百分比
在S1，骨髓间充质干细胞从玻璃区域向钛涂层区域迁移的放大倍数更高
右:骨生成基因的相对表达水平包括骨桥蛋白2 (a)、胶原蛋白1(b)、骨连接蛋白(c)和骨桥蛋白(d)，通过快速定量聚合酶链反应对所有样品进行测定
学分:科学报告，doi: 10
1038/s 14598-019-54533-z
为了证实矿化，科学家使用茜素红，然后用可溶性钙结节颜色吸光度量化，在第7天和第14天观察所有样品的高矿化水平
研究小组研究了表面蛋白质吸收潜力、蛋白质-离子生物复合体形成和生物复合体细胞摄取，以证明S1样品上蛋白质-离子生物复合体形成的最高水平
通过这种方式，穆罕默德-侯赛因·贝吉和他的同事们使用HILIRT方法实现了高表面生物活性、成骨和骨间充质干细胞的骨迁移
新材料的表面特性允许蛋白质和生物分子相互作用，以刺激细胞粘附、矿化和成骨作用，从而在体内和体外实现更快、更合适的骨整合
科学家利用钛酸盐设计了纳米纤维网状支架，使血管形成、蛋白质附着、细胞增殖和细胞附着在基质上
由于提高了生物力学强度，这种微孔表面可以促进营养扩散、血管形成和血液流动
此外，表面亲水性；使用水接触角测量进行验证，促进细胞-细胞外基质粘附，以改善细胞结合和旺盛的组织生长
左:通过定量茜素红染色证实骨髓间充质干细胞的成骨分化和基质矿化
右:蛋白质吸附和生物复合体吸附/吸收:浸泡6小时后成骨分化培养基中蛋白质的浓度(a)；浸泡6小时后成骨分化培养基中的蛋白质浓度，然后以14，000 rpm离心30分钟(b)；用细胞培养物浸泡6小时后成骨分化培养基中的蛋白质浓度(c)
学分:科学报告，doi: 10
1038/s 14598-019-54533-z
在这项工作中开发的S1样品(NFTi，150 ps)产生了用于骨再生或骨置换的最佳表面生物活性
Beigi等人
显示了使用二氧化钛作为矫形植入材料的优点，并且在研究中实施的表面改性策略改善了surface生物活性和成骨作用，用于辅助骨组织发育
该成本有效的节约方法可以为各种生物医学应用提供待涂覆在多个表面上的金属纳米纤维结构表面
所提出的技术(将材料工程与干细胞相结合)将为工程先进的生物材料打开新的大门，这些生物材料具有增强的表面生物活性，以改善体外和体内的生物相容性
该发现证明了实验室中的实验支架的有益效果，其具有作为BTE植入物的医学骨整合的潜力
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