作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 用于细胞培养的泡沫复合支架照片(一)
非泡沫(b)和泡沫明胶支架(c)的扫描电镜图像
分离的奥莫汉普颗粒的扫描电镜图像，比例尺:10微米(天)
不含(e)和含40% ormoHAP (f)的明胶支架半薄切片的光学显微镜图像
学分:生物医学材料，doi: 10
1088/1748-605X/ab0fad 生物灵感材料在多学科应用中模仿其天然对应物的特征功能，形成生物材料发展中的热门主题
例如，在骨组织工程中，研究人员专注于骨的天然复合结构，由矿化胶原蛋白的复杂结构有机设计而成
由此产生的生物工程构建体包括基于天然哺乳动物骨成分的无机/有机复合物，例如碳酸磷灰石和胶原
然而，由于其易碎的性质，在体内过早再吸收的过程中，将微粒掺入到材料构造中会引起并发症
在最近发表在《生物医学材料》、《眼内压科学》上的一项研究中，克里斯蒂安·海涅曼和德国马克斯·博格曼生物材料中心和材料科学研究所的同事利用有机改性羟基磷灰石(ormoHAP)设计了分离的纳米球，以形成与同一研究团队先前工作一致的复合支架
海涅曼等人
使用电场辅助的离子双迁移过程设计新的生物材料，并将由此形成的纳米球嵌入发泡明胶有机模板中，以形成复合支架
科学家测试了生物材料的生物降解率，表明它们与支架制备过程中的交联度(40%，80%)和支架的矿物质含量(0%，20%，40%)相关
他们使用来源于骨髓基质细胞和单核细胞的成骨细胞和破骨细胞的人类细胞共培养模型，在42天的时间里测试了奥莫汉-明胶支架对细胞生长和分化的影响
结果证实包埋在明胶基质中的ormoHAP增强了TRAP5b的生物活性(抗酒石酸酸性磷酸酶5b)；一组在骨中合成的酶，随后碱性磷酸酶活性(碱性磷酸酶，一种成骨细胞标记物)增加，成骨细胞中BSPII(骨唾液蛋白II-编码骨基质的主要结构蛋白)的基因表达增加
科学家们提出了一系列细胞间相互作用的序列，以解释体外细胞共培养中观察到的行为
泡沫支架的扫描电镜图像，不含矿物质(a)、(d)，含20%或更高的羟基磷灰石(b)、(e)或含20%市售羟基磷灰石(c)、(f)
比例尺代表20微米(上栏)和5微米(下栏)
学分:生物医学材料，doi: 10
1088/1748-605X/ab0fad 在实验中，羟基磷灰石(HAP)纳米晶体在有机环境中自组装形成中空的球形聚集体，由于其在形成骨替代材料中的作用，科学家们首先对其进行了深度表征(BSM)
海涅曼等人
选择明胶作为基础支架基质材料是因为它与电场辅助的纳米复合材料的矿物形成过程相兼容，而复合材料的两种成分(羟基磷灰石和明胶)在细胞-材料相互作用过程中表现出细胞相容性，如先前的体外研究所示
明胶是构成骨组织工程生物传感器材料的理想成分，因为它是胶原蛋白的变性产物，具有丰富的可利用性、可加工性、生物降解性和低抗原性；适合开发新的生物材料
材料科学家先前开发了类似的构建物，如明胶/藻酸盐、明胶/壳聚糖、明胶/β磷酸三钙或明胶/羟基磷灰石复合支架，其中矿化复合物与单相基质相比促进细胞增殖
不同细胞类型共培养的体外实验更适合测试生物材料，因为它们代表细胞间相互作用的自然条件，以模拟细胞再生
为了更精确地复制体内条件，海涅曼等人
之前在材料辅助骨再生过程中，与成骨细胞和破骨细胞进行了无补充的共培养，以测试生物材料
这项工作表明，骨形成成骨细胞和骨吸收破骨细胞之间需要通过可溶性因子或直接的细胞间接触来平衡干扰，以实现有效的骨重建
明胶支架在PBS(a)–(c)和SBF (d)中的降解，不含、含20%和40%的羟基磷灰石以及高和低交联度
测定上清液中的质量损失(a)和蛋白质(b)以及钙(c)、(d)的释放
学分:生物医学材料，doi: 10
1088/1748-605X/ab0fad 因此，科学家们在目前的工作中统一了许多先前研究的结果，以确定在底层生物材料的指导下，骨组织样细胞外基质沉积物的形成
海涅曼等人
人骨髓基质细胞与人成骨细胞、人单核细胞与人破骨细胞共培养，不添加3D复合支架
然后，他们进行了细胞材料表征(测试)，以研究有机修饰的羟基磷灰石纳米球对细胞行为和实验室相互作用的影响
科学家们首先设计了多种明胶中嵌入ormoHAP的复合材料，为细胞培养实验创建了多种支架，然后用扫描电子显微镜(SEM)图像对其进行测试，以了解这种新材料的微/纳米结构
他们观察到明胶基质上明显的表面图案，这是由于均匀的或均匀的分布
海涅曼等人
在化学交联的明胶有机模板上制备了多种这种稳定的支架，并使用缓冲液(磷酸缓冲盐水，PBS)或模拟体液(SBF)介质测试了它们的降解行为，以在实验室中模拟体内生物条件
在没有(a)、(b)、有20% (c)、(d)和有40% ormoHAP (e)、(f)的明胶支架上，在hOB/hOC共培养的第28-42天，共聚焦激光扫描显微镜(cLSM)图像叠层的三维重建
左栏可见肌动蛋白(绿色)、细胞核(蓝色)、CD68(红色)；在右栏中，肌动蛋白(红色)、细胞核(蓝色)和TRAP(绿色)可见
学分:生物医学材料，doi: 10
1088/1748-605X/ab0fad 科学家们通过对比研究，确定了明胶交联百分比和甲醛浓度对新材料生物活性和降解的影响
在用SBF或PBS进行的降解研究中，交联度较低的支架比交联度较高的支架降解得更快
到第56天，科学家观察到支架上的生物活性水平较高，为20%或更高；通过量化表面结合钙的水平来确定
尽管浓度为40%的磷酸氢钙最初显示出有希望的结果，但表面结合钙的值随着时间而降低
在共培养实验中，海涅曼等人
因此，我们比较了两种不同浓度的奥莫汉普(20%和40%)，以及仅由纯明胶制成的支架
科学家们从第14天到第28天，一直到第42天，有策略地进行了细胞培养研究，然后使用脱氧核糖核酸分析，他们对细胞核进行了量化，并计算了细胞增殖的速度，以评估材料表面的细胞总数，在表面之间没有观察到显著的差异
他们对碱性磷酸酶活性进行了量化，以评估单一培养和混合培养中的成骨分化，14天后随着细胞成熟的增加，成骨分化降低
为了研究混合培养中hMc向hOB的分化，科学家们对TRAP5b活性进行了量化，该活性随着用于材料辅助细胞生长的支架组合物中ormoHAP含量的增加而显著增加
然而，到第42天，由于破骨细胞的寿命有限，酶活性的速率降低
海涅曼等人
接下来进行共聚焦激光扫描显微镜(cLSM)成像，以研究支架上的共培养相互作用
左图:TRAP阳性单核细胞来源的破骨细胞在d28-d42共培养于含40% ormoHAP的明胶支架后的正视图
图像显示了堆叠的单个切片和沿着彩色线的横截面
肌动蛋白骨架(红色)、细胞核(蓝色)和TRAP(绿色)可见
右:成骨细胞相关标记物ALP、BSP II、OC、RANKL和IL-6(左)和破骨细胞相关标记物TRAP、OSCAR、CALCR、VTNR和CTSK(右)的基因表达，以及管家基因GAPDH，在含有20%和40% ormoHAP的明胶支架上共同培养hBMSC/hOB和hMc/hOC后的d42/d28
学分:生物医学材料，doi: 10
1088/1748-605X/ab0fad 他们用荧光标记观察了显示绿色肌动蛋白骨架和蓝色细胞核的细胞共培养物，并用红细胞表面抗原标记(CD68)检测单核细胞(hMc)
利用显微图像，科学家观察到从纺锤形到球形的不同细胞形态，详细描述了细胞如何与底层新材料相互作用
他们检测到了TRAP，这是一种明亮的绿色斑点，随着物质表面的ormoHAP水平的增加，它越来越集中在细胞内，以突出物质辅助细胞生长的效果
海涅曼等人
最后用定量实时聚合酶链反应(qRT-PCR)进行基因分析以确定与细胞分化相关的特异性标记的上调
值得注意的是，他们研究了BSPII(骨基质编码蛋白)、RANKL(核因子- κB配体的受体激活剂)参与骨建模/重塑和破骨细胞标记OSCAR(破骨细胞相关免疫球蛋白样受体)，后者吸收骨-对骨稳态至关重要
结果表明BPSII和OSCAR表达上调，验证了本研究中材料辅助的细胞分化
这样，海涅曼等人
广泛表征细胞-材料的相互作用，以了解生物功能化过程中新的、生物灵感的生物材料
他们利用细胞共培养研究，展示了新支架几何形状对骨形成和再吸收细胞以及细胞间相互作用的影响
这些结果将使科学家能够实现优化的生产条件，以进一步改进和开发生物灵感材料工程的材料结构
支架中ormoHAP浓度的增加刺激了成骨细胞和破骨细胞之间的细胞相互作用，这可以通过基因上调的特定标记来证明，这对于骨组织工程中新材料的进一步研究具有很好的意义
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