麻省理工学院的工程师开发了涂层组织支架，有助于刺激新骨生长

图为多孔，纳米结构的聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）膜的扫描电子显微照片。该膜涂有聚电解质（PEM）多层涂层，该涂层释放生长因子以促进骨修复。图片由Nasim Hyder和Nisarg J. Shah提供

麻省理工学院的化学工程师已经开发出带涂层的组织支架，可以帮助身体生长新的骨骼来修复损伤或先天性缺陷。

麻省理工学院的化学工程师设计了一种新的植入式组织支架，该支架涂有骨生长因子，并在数周内缓慢释放。当应用于骨骼损伤或缺损时，这种带涂层的支架可促使人体迅速形成新骨骼，外观和行为与原始组织相似。

这种类型的带涂层支架可以比目前治疗骨骼损伤的标准（包括从患者身体的另一部分移植骨骼）提供显着的进步-这种痛苦的过程并不总是能提供足够的骨骼。严重的骨伤患者，例如在战斗中受伤的士兵；患有先天性骨缺损（例如颅颌面部疾病）的人；研究人员说，在插入牙科植入物之前需要骨增强的患者可以从新的组织支架中受益。

“这一直是一个真正具有挑战性的医学问题，我们试图提供一种解决该问题的方法，”该论文的主要作者，最近获得博士学位的Nisarg Shah说，该论文发表在《美国国家科学院院刊》上。星期。

该论文的资深作者Paula Hammond是David H. Koch的工程学教授，也是MIT的Koch癌症综合研究所和化学工程系的成员。其他作者是博士后Nasim Hyder和Mohiuddin Quadir，研究生Noémie-ManuelleDorval Courchesne，Restituo的Howard Seeherman，哈佛牙科医学院的Myron Nevins以及布莱根妇女医院的Myron Spector。

刺激骨骼生长

骨生长因子中最重要的两个是血小板衍生生长因子（PDGF）和骨形态发生蛋白2（BMP-2）。作为自然伤口愈合过程的一部分，PDGF是骨骼损伤（例如骨折）后立即释放的首批因素之一。PDGF出现后，其他因素（包括BMP-2）通过募集可以产生骨骼的细胞并形成包括血管在内的支撑结构，帮助创造合适的骨骼再生环境。

用这些生长因子治疗骨损伤的努力由于不能以受控的方式有效地递送它们而受到阻碍。当大量生长因子过快地递送时，它们会迅速从治疗部位清除-因此它们减少了对组织修复的影响，还可能引起不良的副作用。

哈蒙德说：“您希望生长因子的释放非常缓慢，并且释放的量为毫微克或毫微克，而不是毫微克。”“您想要募集我们在骨髓中拥有的这些天然成年干细胞去受伤的部位，然后在支架周围生成骨骼，并且您想要生成与之配套的血管系统。”

此过程需要时间，因此理想情况下，生长因子将在几天或几周内缓慢释放。为了实现这一目标，麻省理工学院的团队创造了一种非常薄的多孔支架板，上面覆盖有PDGF和BMP层。他们使用一种称为“逐层组装”的技术，首先在薄板上涂了约40层BMP-2。最重要的是另外40层PDGF。这使PDGF可以更快地释放，同时BMP-2的释放也更持久，从而模仿了自然愈合的各个方面。

密歇根大学化学工程学教授尼古拉斯·科托夫（Nicholas Kotov）说：“这是骨骼组织工程的主要优势，因为信号传导蛋白的释放必须缓慢并且必须按计划进行。”研究小组。

支架板约0.1毫米厚；一旦涂覆了生长因子涂层，就可以根据需要从薄板上切下支架，并以合适的尺寸将其植入骨骼损伤或缺损中。

有效维修

研究人员在大鼠颅骨缺损（直径8毫米）以至无法自行愈合的情况下测试了该脚手架。植入支架后，生长因子以不同的速率释放。植入后头几天释放的PDGF有助于启动伤口愈合的级联反应，并将不同的前体细胞动员到伤口处。这些细胞负责形成新的组织，包括血管，支持性血管结构和骨骼。

BMP释放较慢，然后诱导其中一些未成熟细胞变成成骨细胞，从而产生骨骼。研究人员说，当两种生长因子一起使用时，这些细胞在手术后两周就产生了一层骨，这在外观和机械性能上与天然骨没有区别。

“使用这种组合不仅使我们能够首先加速增殖，而且还有助于沉积一些血管组织，这为干细胞和前体成骨细胞以及其他参与者提供了进入并完成其工作的途径。您最终将获得非常统一的治愈系统，”哈蒙德说。

这种方法的另一个优点是支架是可生物降解的，并在几周内在体内分解。脚手架材料是一种称为PLGA的聚合物，已广泛用于医学治疗中，可以调节使其以特定的速率崩解，因此研究人员可以将其设计为仅在需要的时间内使用。

哈蒙德（Hammond）的团队已基于这项工作申请了专利，现在的目标是开始在大型动物中测试该系统，希望最终将其用于临床试验。

这项研究是由美国国立卫生研究院资助的。

出版物：Nisarg J. Shah等人，“聚电解质涂层的自适应生长因子递送促进了协同的骨组织修复和重建”，PNAS，2014年；土井：10.1073 / pnas.1408035111

图像：纳西姆·海德（Nasim Hyder）和尼萨尔·J·沙（Nisarg J.Shah）