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[施普林格聚合物与复合材料系列] 聚合物/POSS纳米复合材料与杂化材料（制备、性能、应用）|| 医用POSS杂化材料
摘要： 医学应用是材料科学领域最重要的议题之一，备受高度关注。过去几十年间，旨在提升医疗服务质量的新方法或新材料开发呈现出蓬勃发展的态势。纳米技术的应用为该领域开辟了新的发展空间。多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）作为新一代纳米结构材料，同时具备纳米颗粒与分子的双重特性。这类材料具有改善热力学性能、增强机械强度以及提高溶解性等显著特点。POSS在医学领域有着广泛应用：它能显著提升生物材料的机械性能——这对组织工程至关重要；还可增强生物材料抗降解能力。当前牙科材料已将POSS作为关键组分。如本章所述，药物递送和生物成像等领域同样采用POSS技术。
关键词： POSS，牙科纳米复合材料，生物成像，生物材料，药物递送，组织工程
更新于2025-09-23 15:21:01
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用于人骨膜细胞生长的二氧化硅/聚己内酯纳米纤维支架变体
摘要： 本研究探讨了附着有尸体人骨膜或其细胞的聚己内酯（PCL）纳米纤维支架作为修复骨不连损伤的组织工程方法。研究了向PCL支架中添加二氧化硅纳米颗粒（二氧化硅或nSiO?）对体外和体内人骨膜细胞生长的影响。制备了不同二氧化硅含量（0、0.5和1.0 wt%）的静电纺丝PCL纳米纤维（nanoPCL）支架，并用作接种骨膜细胞的基质。通过PrestoBlue?活力测定分析的体外培养21天的人骨膜细胞生长显示，在三种不同二氧化硅/nanoPCL支架上均随培养时间增加而增长。附着有含或不含二氧化硅的nanoPCL支架的尸体骨膜被包裹在同种异体移植骨周围，并在无胸腺（裸）小鼠中植入10或20周。这些体内实验的组织学和免疫组织化学分析证实，从宿主小鼠中取出构建体后存在存活细胞。随着时间的推移，作为成骨细胞标志物的Osterix在取出的构建体中增加，表明底层同种异体移植骨的重塑。总结结果表明，二氧化硅/nanoPCL支架可用作骨膜细胞和组织扩增的基质，以增强和支持骨缺损（包括节段性骨损伤和骨不连）治疗和愈合的临床应用。
关键词： 纳米PCL、骨缺损、二氧化硅、骨膜、组织工程
更新于2025-09-23 15:19:57
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结合光谱分析与非线性光学测量的激光打印壳聚糖/单壁碳纳米管生物聚合物复合材料
摘要： 通过激光打印技术制备了基于两种壳聚糖（丁二酸壳聚糖和低分子量壳聚糖）与单壁碳纳米管（SWCNT）的生物聚合物复合材料。扫描电镜图像显示，SWCNT在壳聚糖溶液中具有良好的分散性，能形成相对均匀的薄膜。研究采用激光辐射作用于水性分散介质形成复合薄膜。激光与分散介质相互作用过程中的非线性光学研究表明：低分子量壳聚糖具有17 cm/GW的高非线性吸收系数，而添加SWCNT后该系数显著提升至902 cm/GW。含纳米管的样品阈值强度为5.5 MW/cm2，当强度超过该阈值时产生的非线性效应会使液体转变为固相。FTIR和拉曼光谱表征显示壳聚糖与SWCNT间存在分子相互作用，表现为径向呼吸模（RBM）频率微移和波形变化。结果表明，基于壳聚糖与SWCNT的水性分散介质可通过激光打印技术构建用于组织工程的三维薄膜及支架。
关键词： 组织工程、碳纳米管、非线性光学特性、壳聚糖、光谱学
更新于2025-09-23 15:19:57
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通过动作电位和钙瞬变的光学标测显示，采用仿生线索对人类心脏工程组织进行组合处理可诱导功能成熟
摘要： 尽管已有研究表明，微沟槽诱导排列（μ）、三碘甲状腺原氨酸（T3）诱导和电刺激（EC）等仿生刺激能促进人多能干细胞来源心肌细胞（hPSC-CMs）的成熟，但关于这些因素对工程化心脏组织构建体的组合效应及其分子机制的系统研究尚未见报道。本研究采用人胚胎干细胞来源心室肌细胞（hESC-VCMs）制备微图案化人源心室各向异性心肌片层（hvCAS），通过功能学、钙离子（Ca2+）处理及分子分析等多维度手段，系统研究了组合处理的生理效应。高分辨率光学标测显示：联合μ-T3-EC处理使hvCAS传导速度提升2.3倍、各向异性比率提高1.8倍、成熟静息-可兴奋状态比例增加5倍（>70%）。这种电生理改变源于钠电流密度升高与"起搏电流"密度降低，分别与SCN1B基因上调和HCN2/4转录本下调的观测结果一致。此外，编码受磷蛋白（PLN）和肌浆网/内质网Ca2+-ATP酶（SERCA）的钙处理相关转录本上调，导致Ca2+瞬变上升支与衰减动力学加快。RNA测序及通路分析表明TGF-β信号通路被抑制——其受体激动剂TGF-β1和拮抗剂SB431542分别部分逆转了T3-EC诱导的静息状态及自发性收缩减弱现象。综上，我们得出结论：拓扑结构线索本身通过T3-EC增强了心脏组织构建体的电生理特性和钙处理能力。这些研究不仅深化了对hPSC-CM生物学的认知，更通过促成熟因子的协同作用提升了工程化心脏组织在体外药物筛选和疾病建模中的应用价值。
关键词： 三碘甲状腺原氨酸、钙处理、电刺激、组织工程、成熟、动作电位
更新于2025-09-23 15:19:57
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使用激光直写系统的三维多层微结构
摘要： 组织工程是开发有效再生疗法的重要组成部分。本文介绍一种利用日本Cyfuse公司"3D组织制造系统"(Regenova?)从培养细胞构建无支架三维(3D)多层微结构的前沿方法。该技术基于细胞的黏附特性——当细胞在非黏附培养皿中培养时，会自发聚集成球状体。其优势在于可将多种细胞成分混合于单个球状体中，从而促进胶原蛋白、弹性蛋白等细胞外基质形成。该系统能构建预设的细胞3D结构，其优势表现为：(1)计算机控制的机械臂系统使结构长度、尺寸与形状具备高度可设计性与重现性；(2)可在合理周期(8天)内制备可移植结构；(3)构建组织不含任何异物成分，从而规避污染、生物毒性与过敏等潜在风险。该机器人系统能在短期内制备出具有优良力学性能和丰富细胞外基质的细胞球三维多层微结构。这些结果表明，该新技术将成为组织工程领域极具前景、吸引力和实用价值的策略。
关键词： 三维、无支架、生物制造、组织工程、细胞外基质
更新于2025-09-16 10:30:52
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生物材料的快速原型制作 || 利用激光辅助生物打印技术(LAB)实现复杂组织的快速原型制作
摘要： 与基于多孔结构细胞接种的支架方法并行，有学者提出可采用生物打印技术自下而上构建三维（3-D）生物结构——这种自动化计算机辅助技术能精准沉积细胞、细胞聚集体及生物材料。为此，喷墨打印机已成功根据计算机辅助设计（CAD）模板实现生物组件的图案化。此外还研发了压力驱动机械挤出装置用于处理活细胞及细胞聚集体。与这些方法并行，激光辅助打印技术作为生物材料与细胞组装及微图案化的替代方案应运而生。生物材料（尤其是活细胞）的激光打印基于激光诱导正向转移（LIFT）技术，该技术利用脉冲激光促使材料从源薄膜转移到接收基底。目前已实现多种LIFT变体用于活细胞打印。为便于表述，我们将统一使用LAB术语，但主要讨论需金属中间光吸收层装置的实验结果。因此，在适当辐照条件下，对于具有广泛流变特性的液体材料，可实现具有高度空间分辨率的规整圆形液滴沉积。
关键词： 生物打印、激光辅助生物打印、细胞打印、组织工程、激光诱导前向转移技术（LIFT）
更新于2025-09-12 10:27:22
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基于LED的光声成像技术用于监测纤维蛋白支架中的血管生成
摘要： 工程化构建体的血管化对于实现植入物与宿主血液循环的整合至关重要。非侵入性监测植入构建体新生血管形成的能力对临床转化具有决定性意义。激光散斑对比分析（LASCA）作为再生医学中广泛应用的成像技术，虽具有高空间分辨率，但成像深度有限且仅对灌注血管敏感。新兴的光声（PA）成像技术能提供厘米级成像深度并具备卓越的血管显影灵敏度。将PA成像与传统超声（US）成像相结合，为再生医学中的这一挑战提供了潜在解决方案。本研究采用基于LED的PA-US双模系统，对小鼠皮下植入的纤维蛋白支架进行了为期7天的血管生成动态监测。通过LASCA和PA-US系统分别在第0天（即植入后）、1、3和7天对含/不含碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）的支架进行成像。将LASCA与PA成像的定量灌注参数与第7天的组织学血管密度进行比对，结果显示血管密度变化与两种技术测得的灌注指标一致。与LASCA不同，PA成像能清晰区分支架上下区域的新生血管差异。本研究表明，PA成像可作为再生医学应用中监测深层血管化过程的无创高敏方法。
关键词： 光声成像、基于LED的成像、纤维蛋白支架、组织工程、血管生成
更新于2025-09-11 14:15:04
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混合有机金属聚合物用于激光双光子聚合亚微米3D打印的生物相容性研究
摘要： 杂化有机金属聚合物是一类可通过双光子激光聚合技术制备亚微米结构的功能材料。先前研究证实含铝和锆的杂化有机金属聚合物在体外具有良好生物相容性。但若要基于这些材料制定组织工程策略，仍需深入理解其对细胞内过程的影响。本研究通过原代大鼠成肌细胞在旋涂法制备的含铝/锆聚合物表面培养，探究不同材料对细胞存活率、粘附强度、粘附相关蛋白表达、代谢速率及胶原分泌的影响。结果显示：所有测试表面均支持细胞完全汇合生长；后续MTT实验表明玻璃和锆表面比铝表面具有更高代谢活性；存活率检测显示各表面细胞存活水平相当；粘附强度评估发现培养4小时后的相对粘附力略强于24小时；含铝表面培养的细胞分泌胶原量最多。结论表明这些材料具有体外生物相容性，具备生物工程应用潜力。
关键词： 生物材料、生物活性表面、激光双光子聚合、组织工程、杂化有机金属聚合物
更新于2025-09-11 14:15:04
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眼科生物材料与再生医学 || 眼科生物材料简介及其在组织工程与再生医学中的作用
摘要： 我们称之为生物材料（非药物类医用材料）的研发终极目标始终是模拟天然材料。由于生物材料的天然参照对象——人体组织和器官极其复杂，实验室制备的材料在性能上往往难以匹敌其旨在增强或替代的天然实体，这并不令人意外。这与工业应用材料开发形成鲜明对比：工业材料通常比天然对应物（若存在）表现更优，且不受生物系统固有约束的影响而进化较快。长期以来，生物材料的主要要求仅是短期内达到可接受的终端性能，很少通过调控成分和/或结构来改变其整体和/或表面特性以最大化临床效果。然而过去六十余年间，使生物材料性能与功能逼近生物靶标的进展已相当显著。虽然上述情况同样适用于眼科生物材料，但其发展呈现出某些独特特征。生物材料领域的总体进展通常以骨科生物材料（以及在较小程度上心血管或牙科生物材料）的分支成就为衡量标准，而眼科生物材料的进步往往被忽视或鲜少展示。
关键词： 眼科生物材料、人工角膜、聚甲基丙烯酸甲酯、隐形眼镜、水凝胶、角膜、再生医学、组织工程
更新于2025-09-10 09:29:36
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聚己内酯/银纳米粒子复合三维电纺纳米纤维结构
摘要： 本研究提出了一种用于组织工程的纳米纤维支架单站三维制备技术。通过在静电纺丝系统中引入发散静磁场，诱导排列的聚己内酯（PCL）纳米纤维自组装成厚度可调（2至12毫米）的三维结构。向PCL溶液中添加银纳米颗粒以改变其导电性。在体外将人成纤维细胞培养于纯PCL纳米纤维支架上7天，发现纳米纤维桥接现象的发生取决于溶液粘度——形成三维纳米纤维结构所需的最小粘度高于形成二维纳米纤维毡的情况。三维空间内纳米纤维分布的均匀性与导电性和纳米纤维重量呈正相关。细胞培养实验显示，成纤维细胞在支架上增殖并形成模拟天然肌肉骨骼组织微观结构的定向基质。
关键词： 组织工程、三维纳米纤维结构、静电纺丝、聚己内酯、银纳米粒子
更新于2025-09-10 09:29:36