骨折和骨缺损，对患者造成严重的健康问题。在临床治疗方面，人们积极探索合成支架来促进临界骨再生，而电刺激被认为是促进这一过程的有效辅助手段。
在此，来自清华大学和北京大学口腔医学院的研究者，开发了一种集成了薄膜硅(Si)基微结构的三维仿生支架。相关论文以题为“A 3D biomimetic optoelectronic scaffold repairs cranial defects”发表在Science Advances上。与此同时，该篇文章登上同期Science Advances的封面。
每年有超过数百万的患者患有骨折、创伤性损伤和先天性残疾等骨病。骨病是一个严重的全球公共卫生问题，导致畸形、长期住院、生活质量下降、死亡风险增加，经济负担增加。虽然天然骨组织在轻微损伤时具有固有的自我再生能力，但较大的骨折或大量缺损在不进行手术干预的情况下很难实现完全的功能恢复。再生临界大小骨缺损的标准方法之一依赖于自体移植，自体移植不仅对缺损区域的骨形成具有理想的骨传导和骨诱导特性，但也存在局限性，包括其有限的可用性和供体部位发病率的高风险。为了克服自体移植物的上述局限性，合成生物支架(生物支架)提供了一种很有前途的骨组织工程治疗方法，它可以作为替代物填补缺损，并通过模拟细胞外基质微环境为细胞粘附、生长和分化提供地形支持。从材料、结构、生物功能策略等方面，人们都在努力制备理想的平台，以促进生物支架的骨再生性能。
以天然骨组织为灵感，具有三维层次结构的先进支架，在骨再生中得到了广泛的开发和应用。矿化材料因其结构和组成仿生特点，在生物支架的发展中发挥了重要作用。一方面，矿化支架由多种成分组成，包括胶原蛋白、生物陶瓷[如羟基磷灰石(HA)]和合成聚合物[如聚ε-己内酯(PCL)]，形成天然骨的主要成分。另一方面，它们具有从微米到纳米级的多层骨状层次结构。这些传统支架为细胞生长和分化提供了地形和机械支持。在附加的生物功能方面，生化(生长因子、药物等)和物理(电、热、光、磁等)刺激被用于增强惰性合成支架的成骨生物活性。与生物化学线索相比，物理线索在与生物系统相互作用时具有较高的时空分辨率和更稳定可控的操作。具体而言，电转导信号是生物活性的基础，外部电刺激激发骨组织内源性电场已被广泛应用于加速骨再生，甚至在临床治疗顽固性迟发性骨折和骨不连骨折。
传统的电疗法，利用直流电或交流电刺激进行骨再生，包括植入控制电路和电源的电极。最近，研究人员还研究了基于光电电容器、静电和压电器件的电活性材料和器件，这些材料和器件可以无线或自供电。虽然这些工作证明了调节各种类型的细胞和组织用于研究和治疗目的的能力，但在骨再生过程中，光/电信号和干细胞活动之间的相互作用却很少被利用。此外，非常希望实现一种能够(i)模拟分层骨结构，(ii)产生无线供电电信号并影响细胞行为，以及(iii)在生物环境中完全兼容和可降解的支架。研究者认为，这种电活性生物支架可以用于组织再生，并在生物医学中得到广泛应用。
在这项工作中，研究者提出了一种用于骨组织再生的三维生物降解光电生物支架。该支架将图案化硅(Si)薄膜嵌入到HA矿化胶原蛋白/PCL结构中，可以在生物环境中完全溶解。在培养人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)时，仿生多尺度分层结构为细胞粘附、生长和分化提供了良好的地形支持。响应近红外(IR)照明，Si结构产生电信号，去极化细胞电位和唤起细胞内钙活动。这些光电信号进一步调节hBMSCs向成骨分化。最后，体内实验表明，硅基生物支架促进鼠类模型颅骨缺损的再生。
图1 用硅纳米结构构建三维光电骨再生支架的仿生策略。
图2 三维光电支架的结构与降解性能。
图3 硅微结构对hBMSCs形态进化和分化行为的影响。
图4 三维支架的体外光电响应。
图5 柱状硅薄膜培养hBMSCs的光致电生理活性。
图6 在具有柱状结构的硅膜上培养的hBMSCs的光诱导胞内钙动态。
图7 内源性光电刺激下hBMSCs对Si结构的成骨和增殖行为。
图8 硅基三维支架骨再生的体内评价。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq7750
