基于聚酰亚胺纤维的丙基没食子酸镓/氧化铪网络促进韧带-骨愈合的研究

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聚酰亚胺纤维 人工韧带 骨生成 抗菌 抗炎 韧带-骨愈合

聚酰亚胺纤维表面修饰促进韧带-骨愈合的研究

学术背景

前交叉韧带（Anterior Cruciate Ligament, ACL）损伤是全球范围内常见的运动损伤之一，每年约有1/1250的人需要进行ACL重建手术。目前，ACL重建的主要方法包括自体移植和异体移植，但这些方法存在免疫排斥和供体部位并发症等问题。人工韧带，尤其是不可降解的聚合物材料，因其优异的机械强度和术后恢复快等优点，逐渐成为临床上的重要选择。然而，现有的人工韧带材料如聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate, PET）在骨再生方面的生物活性不足，导致纤维包裹形成，阻碍了韧带-骨愈合，增加了手术失败的风险。

聚酰亚胺（Polyimide, PI）是一种具有优异机械性能、热稳定性和生物相容性的聚合物材料，但其生物惰性限制了其在骨再生方面的应用。因此，如何对聚酰亚胺纤维进行功能化修饰，使其具备促进骨再生、抗炎和抗菌的多重生物功能，成为ACL重建领域的一个重要研究方向。

论文来源

本论文由来自东华大学、复旦大学浦东医院、海军军医大学附属第一医院等机构的科研团队共同完成。论文的第一作者为Xie En，通讯作者为Wei Jie和Li Dejian。该研究于2024年10月18日在线发表在《Advanced Fiber Materials》期刊上，题为“A Polyphenol–Metal Network of Propyl Gallate Gallium/Hafnium Oxide on Polyimide Fibers for Facilitating Ligament–Bone Healing”。

研究流程

1. 材料制备与表征

研究团队首先通过水热法合成了氧化铪（HfO2）纳米颗粒，并利用没食子酸丙酯（Propyl Gallate, PG）与镓离子（Ga3+）的螯合作用，制备了PG-Ga/HfO2复合涂层。随后，将聚酰亚胺纤维（Polyimide Fiber, PIF）浸入该复合涂层溶液中，得到功能化的PIF纤维（PGPH）。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术对材料的表面形貌、化学成分和结构进行了表征。结果表明，PGPH纤维表面粗糙度增加，亲水性和表面能显著提高，且PG-Ga/HfO2涂层均匀分布在纤维表面。

2. 体外细胞实验

研究团队通过体外细胞实验评估了PGPH对骨髓间充质干细胞（BMSCs）的粘附、增殖和成骨分化的影响。结果表明，PGPH显著促进了BMSCs的粘附和增殖，并提高了碱性磷酸酶（ALP）活性和钙结节的形成，表明其具有优异的成骨分化能力。此外，PGPH还显著抑制了M1型巨噬细胞的极化，促进了M2型巨噬细胞的极化，从而减少了促炎细胞因子的产生，增加了抗炎细胞因子的分泌，表现出良好的抗炎效果。

3. 体外抗菌实验

通过体外抗菌实验，研究团队评估了PGPH对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）的抗菌性能。结果表明，PGPH显著抑制了细菌的生长，其抗菌率分别达到94.6%和96.5%。进一步的机制研究表明，PGPH释放的Ga3+离子破坏了细菌的细胞膜，导致细胞内容物泄漏，从而实现了抗菌效果。

4. 体内动物实验

研究团队通过大鼠骨髓腔感染模型和兔ACL重建模型，评估了PGPH在体内的抗感染和促进韧带-骨愈合的效果。结果表明，PGPH显著抑制了细菌感染，并促进了新骨的形成。在ACL重建模型中，PGPH显著提高了骨体积分数（BV/TV）和骨矿物质密度（BMD），并增强了韧带-骨界面的整合强度。

主要结果

  1. 材料表征：PGPH纤维表面粗糙度增加，亲水性和表面能显著提高，PG-Ga/HfO2涂层均匀分布在纤维表面。
  2. 体外细胞实验：PGPH显著促进了BMSCs的粘附和增殖，提高了ALP活性和钙结节的形成，并促进了M2型巨噬细胞的极化。
  3. 体外抗菌实验：PGPH对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率分别达到94.6%和96.5%，其抗菌机制是通过释放Ga3+离子破坏细菌细胞膜。
  4. 体内动物实验：PGPH显著抑制了细菌感染，并促进了新骨的形成，提高了ACL重建后的韧带-骨界面的整合强度。

结论

本研究通过将PG-Ga/HfO2复合涂层修饰在聚酰亚胺纤维上，成功开发了一种具有多重生物功能的人工韧带材料PGPH。PGPH不仅显著改善了材料的表面性能，还通过释放Hf4+和Ga3+离子，促进了成骨分化、抗炎和抗菌效果。体内外实验表明，PGPH在促进韧带-骨愈合方面表现出巨大的潜力，为ACL重建提供了一种新的解决方案。

研究亮点

  1. 多功能涂层设计：通过PG-Ga/HfO2复合涂层，赋予了聚酰亚胺纤维优异的成骨、抗炎和抗菌性能。
  2. 显著的体内外效果：PGPH在体外显著促进了BMSCs的成骨分化和巨噬细胞的M2型极化，并在体内显著抑制了细菌感染，促进了新骨形成。
  3. 潜在临床应用价值：PGPH作为一种新型人工韧带材料，具有促进韧带-骨愈合的潜力，有望在ACL重建中发挥重要作用。

其他有价值的信息

本研究的实验设计严谨，数据支持充分，为聚酰亚胺纤维在生物医学领域的应用提供了新的思路。此外，研究团队还通过多种表征手段和实验方法，全面评估了PGPH的生物性能和机制，为该材料的进一步开发和临床应用奠定了基础。