3D XRM用于矿化自组装丝素/纤维素互穿网络气凝胶的研究和开发

摘要

以生物分子为模板制备控制纳米-羟基磷灰石（n-HA）晶体成核和生长的生物活性材料是骨组织工程的一个重要研究领域。然而，同时满足具有适当的表面粗糙度、高孔隙率、结构稳定性、足够的机械强度、生物降解性和生物相容性等性能要求，是制约这些仿生材料在生物科学和医学临床转化领域发展的核心问题。本研究采用溶胶-凝胶冷冻干燥和原位矿化工艺，制备了矿化自组装丝素蛋白(SF)/纤维素互穿网络复合气凝胶（M-S-C），探讨了SF大分子的表面性质和矿化时间等主要因素对n-HA自组装过程的影响，以及M-S-C在特定条件下性质的影响。研究了M-S-C的理化性质、形态、力学性能、降解行为和体外细胞毒性等，以评价其在骨组织工程中的应用前景。M-S-C具有理想的松质骨修复材料所需的微观结构，孔隙率高达99.2%，热稳定性高，抗压强度可调(12.7-22MPa)，体外降解速率显著。此外，M-S-C提取物能显著促进人胚胎肾细胞增殖。这种矿化互穿聚合物网络气凝胶材料综合性能优异，在骨修复和再生方面具有潜在的应用前景。

2.3.4. M-S-C的形态和微观结构

使用Skyscan1273三维X射线显微成像系统(3D XRM，Bruker, Germany) 以5微米/像素的分辨率测量气凝胶，以3D和无损的方式显示其内部孔隙结构。对数据集进行重构(NRecon V1.7.4.6, Bruker, Germany) 并生成3D模型(CTvox v3.3.1, Bruker, Germany)。

为了可视化气凝胶的三维微观结构，进行了3D XRM扫描。三维重建图 (图9a-d)以及xy (图9e-h)和xz (图9i-I)的横截面清楚地表明气凝胶结构中存在开放和连通的孔隙。这种多孔结构允许细胞的迁移和增殖，并在骨组织形成中发挥重要作用。图9中的所有图像都使用了相同的颜色表，有机基质和HA两种分散相分布浓度的变化通过获得的图像的不同灰度值来表现。M-C和M-S-C中xy和xz的横截面亮度高于纤维素气凝胶和SC，这是由于M-C和M-S-C表面存在HA。此外，M-C和M-S-C总体上表现出较高且均匀的亮度，这与M-C和M-S-C在SEM图像中表现出均匀且高度矿化的形貌相一致 (图6b和f)。

图9所示，三维XRM重建 (a) 纤维素气凝胶, (b) M-C, (c) SC, (d) M-S-C。贯穿气凝胶中心的2D (e-h) xy和 (i-I) xz切片。（气凝胶的裂缝是由于分布不均造成的）。

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