【文献解读】Carbohydrate Ploymers:促进体内骨再生的可打印细菌纤维素基明胶复合材料

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背景介绍

细菌纤维素(BC)是由微生物合成的纤维素，相比于植物纤维素，具有高纯度、高聚合度、高结晶度、高机械强度、高保水性和高生物相容性等特征，在敷料和人工支架方面获得广泛应用。而3D打印技术是一项能够快速、精准的复制和重建具有可控孔径、相互关联的缺损组织或器官复杂结构支架的技术。然而，由于细菌纤维素纤维间的紧密缠绕阻碍了细胞的渗透和其作为生物墨水在打印过程的顺利出丝。

目前，主要的改性方法是通过Tempo氧化体系制备纤维素纳米纤维分散液。由于羧基的引入，增强了其与藻酸盐或明胶的的氢键的结合能力，从而制备具有剪切变稀行为的生物墨水。然而，Tempo氧化体系由于洗涤不充分，易残留使得支架对细胞具有毒性。同时，tempo氧化对于环境也具有污染。而顺丁烯二酸(MA)是一种绿色的固体有机酸，其具有弱酸性、低腐蚀性和低温低溶解度等特性。

基于此，南京林业大学黄曹兴副教授与南京大学鼓楼医院蒋青教授团队通过基于羧基的fisher-speier酯化反应，引入羧基基团，提高了其在水溶液中的分散性；并与明胶进行了复合，成功改善了其打印性能。同时与Tempo氧化体系从材料基础性能和生物学性能两大方面进行对比评价，为MA体系处理制备具有成骨分化能力的细菌纤维素基支架在骨组织工程领域的可行性提供了重要见解。

02

图文解读

作者首先通过Tempo体系和MA体系分别制备了细菌纤维素纳米分散液及其薄膜。经过处理后的细菌纤维素均达到了纳米级分散液，且机械强度均有一定的提升。

与明胶进行复合，探究了其在3D打印中作为生物墨水的性能。羧基基团的引入，改善了细菌纤维素的可打印性，与明胶的复合，使其具备了明显的剪切稀化的生物墨水特性。其中，MA体系处理的细菌纤维素的添加更明显的改善了明胶的机械性能和结构稳定性。

进一步通过MC3T3-E1细胞从细胞活力、ALP活性、矿化结节形成和成骨基因表达等方面评价了两种体系的促成骨能力。两种体系处理的细菌纤维素均表现出良好的前成骨细胞活性，但MA体系的细菌纤维素的效果要更优于Tempo体系的细菌纤维素。

采用大鼠颅骨缺损模型实验，具体评价了其体内骨再生的能力。四周后，发现两种体系的细菌纤维素支架均具有良好的骨再生能力，且无明显的毒害作用。

03

结论

1. 使用MA体系成功将细菌纤维素制备成均匀的纳米分散液，并于明胶进行复合，成功应用于3D打印技术。

2. 通过与Tempo氧化体系对比，MA体系制备细菌纤维素基材料提高了其机械强度，压缩模量达到了707 kPa，高于Tempo体系的426 kPa。

3. MA体系在成骨基因表达、ALP活性、矿化结节形成等方面表现出更优秀的促成骨能力，为使用MA体系制备具有成骨分化能力的生物支架提供了新的见解。

本工作除了得到相应的基金支持，也得到了海南椰国食品有限公司董事长钟春燕的指导。

原文链接：

 https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118342

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