一、研究背景

疾病和外伤导致的口腔颌面骨缺损因发病率高、对生活质量造成负面影响并造成沉重的经济负担而成为全球关注的问题。植入骨移植材料是治疗骨缺损最常用的手段。然而，不可降解的骨移植材料会因占据成骨空间而导致骨再生不完全，甚至被机体完全排斥。因此，开发可降解骨移植物成为修复骨缺损的重要方向。

聚合物、可降解生物陶瓷和金属镁是目前临床上使用的三种可降解骨移植物。聚合物的形态可定制，免疫原性低，降解性可控。然而，酸性降解产物的释放会导致局部 pH 值改变，骨传导性和细胞粘附性差，这限制了它们在牙科中的应用。此外，骨组织中的水与聚合物之间的反应会导致相间降解，从而对不同层次材料的机械性能产生不利影响。

针对均质材料的局限性，复合材料可为生物可降解骨移植物提供互补性能和研发思路。聚乙二醇酸（PGA）具有良好的初始机械性能，弹性模量为 6 GPa - 7 GPa，强度为 90 MPa - 100 MPa，明显优于其他可降解合成聚合物。然而，PGA 降解太快，无法在成骨初期维持空间稳定性，而且其降解过程中的酸性中间产物很容易诱发无菌性炎症。源于蚕丝的 SF 具有完美的生物相容性，可用于骨缺损再生。SF 多层次结构的可调性可拓宽其机械性能和降解行为的范围，其在体内的完全降解时间从 8 周到 1 年以上不等。然而，仅通过调整 SF 的结构来实现理想的降解和机械性能仍然具有挑战性。我们实验室小组之前的研究表明，SF/PGA 共混物具有良好的骨传导性和组织相容性，但共混处理无法克服 PGA 的快速降解和水分子对 PGA 力学性能的削弱作用。

用聚合物溶液电纺丝制成的纳米纤维支架可以在很大程度上模拟骨基质的结构。在此基础上，同轴电纺丝作为一种提供芯壳纤维的灵活技术，与单组分聚合物相比，具有结合两种聚合物优点的独特能力。不稳定的内芯被外壳隔离开来，从而最大限度地降低了分解的几率。由于骨移植材料在水环境中使用，水分子与材料之间的反应会导致相间降解，从而降低材料的机械性能。尽管许多研究都集中于电纺支架在骨缺损治疗中的可能应用，但只有少数研究阐述了材料在液体环境中的转化。

在本研究中，我们利用同轴电纺丝设备制备了同轴 PGA-SF-FS，假定其在湿润状态下具有逐步降解和卓越的韧性，可同时满足骨缺损治疗的机械和骨诱导要求。为了将这一假设正式化，我们通过分子动力学模拟（MDS）研究了水环境对 PGA-SF-FS 的分子机制。此外，我们还对 PGA-SF-FS、SF 纤维支架（SF-FS）和 PGA 纤维支架（PGA-FS）的形态、机械性能、降解行为和生物活性进行了表征。我们还通过体外实验评估了细胞相容性，并通过体内实验评估了组织相容性。

二、摘要

由于复杂的成骨环境和现有骨移植材料的局限性，口腔颌面部的骨再生在临床上具有挑战性。在生理环境中构建降解可控、机械性能稳定的骨移植材料至关重要。在这项研究中，我们利用蚕丝纤维素（SF）和聚乙二醇酸（PGA）制成了同轴的 PGA-SF 纤维支架（PGA-SF-FS），以满足骨移植的需求。SF 外壳具有出色的成骨活性，同时保护 PGA 免受快速降解，而 PGA 内核则为支架提供了出色的韧性。与生物相容性和成骨（如细胞附着、增殖、分化和矿化）相关的实验表明，PGA-SF-FS 在改善细胞生长和成骨分化方面具有卓越的能力。此外，使用 Sprague-Dawley 大鼠颅骨缺损模型进行的体内测试表明，随着植入时间的延长，PGA-SF-FS 可加速骨再生，其逐步降解的特性有助于与宿主骨组织的重塑动力学相匹配。此外，CD31和Col-1的免疫组化染色证实了PGA-SF-FS增强血管再生成和成骨反应的能力。我们的研究结果表明，PGA-SF-FS 充分利用了两种成分的优点，具有逐步降解的特性和在湿润机制中的优越韧性，是治疗骨质疏松症的理想候选材料。

三、结论

利用同轴电纺设备制造的 PGA-SF-FS 在润湿条件下表现出优异的韧性，并显示出可控的逐步降解特性。PGA-SF-FS 在体外可明显促进细胞粘附、增殖和成骨分化，在体内可支持血管生成和新骨形成。PGA-SF-FS 可控的降解行为、良好的延展性和骨传导性使其在作为骨移植物和药物载体治疗骨缺损方面具有巨大潜力。

图1.在单轴应力下，SF、PGA 和 PGA-SF 层状复合聚合物在干燥和水合条件下的分子结构模拟。

 

图2.制备的 SF-FS 和 PGA-SF-FS 的扫描电镜显微照片和相应的 EDS 元素图谱（比例尺：低倍为 20 μm，高倍为 5 μm）。

图3.SF-FS、PGA-FS、PGA-SF-FS 和对照组植入颅骨缺损 4、8 和 12 w 后的 HE 染色组织学图像。

 

图4.SF-FS、PGA-FS、PGA-SF-FS 和对照组在小腿缺损处植入 4、8 和 12 w 后的 MT 染色组织学图像。白色虚线表示缺损边缘，白色箭头表示残余支架，五角星表示新骨（比例尺：低倍为 2 mm，高倍为 200 μm）。