磁性功能支架用于骨组织工程的研究进展_段晶.pdf

材料导报 Materials Reports ISSN 1005-023X,CN 50-1078/TB 材料导报网络首发论文材料导报网络首发论文 题目：磁性功能支架用于骨组织工程的研究进展 作者：段晶，吴佳蕾，林涛，邵慧萍 网络首发日期：2022-06-20 引用格式：段晶，吴佳蕾，林涛，邵慧萍磁性功能支架用于骨组织工程的研究进展J/OL材料导报.https:/ 网络首发网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。材料导报,2023,37(10):21100129 DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 1 磁性功能支架磁性功能支架用于用于骨组织工程的研究进展骨组织工程的研究进展 段 晶，吴佳蕾，林 涛，邵慧萍*（北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083）支架引导再生在创伤、肿瘤、切除等引起的严重骨缺损的治疗和修复中起着至关重要的作用，目前发展的磁性功能支架已被证明自身或者结合外部磁场可以影响细胞代谢行为，通过磁性环境来促进骨组织再生，特别是结合外部磁场的作用，可以有效远程控制药物释放和激活细胞表面通道，介导一系列成骨相关通路，诱导细胞分化、促进组织生长、骨缺损再生等反应，同样磁性支架在热疗、磁共振成像、靶向递送等方面也有着广泛的应用潜能，因此利用磁性材料来提高骨组织工程效率、为骨缺损的修复提供了一定保障。本文综述了磁性支架的复合、制备技术、促进骨再生机制，以及磁场和磁性支架的协同功能，并总结几种磁性功能支架在骨组织修复工程领域中的研究及其应用。关键词：关键词：磁性纳米颗粒（MNPs）磁性功能支架 骨修复 骨组织工程 通讯作者：通讯作者：邵慧萍， 中图分类号：中图分类号：R318.08 文献标识码：文献标识码：A 引用格式：段晶，吴佳蕾，林涛，邵慧萍.磁性功能支架在骨组织工程中的研究进展 J.材料导报,2023,37(10):21100129 Research Progress of Magnetic Functional Scaffolds for Bone Tissue Engineering DUAN Jing,WU Jialei,LIN Tao,SHAO Huiping*Institute of Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Scaffold-guided regeneration performs an essential function in the therapy of severe bone defects caused by trauma,tumor,resection,and more.Magnetic scaffolds have been demonstrated to influence cellular metabolic behavior by themselves or external magnetic fields.In particular,the combination of external magnetic fields can effectively control the release of drugs and activate channels on the cell surface to mediate a series of osteogenesis-related pathways,promoting cell differentiation and tissue regeneration.Additionally,the magnetic scaffolds have potential applications in thermal therapy,magnetic resonance imaging,targeted delivery,etc.Therefore,the magnetic scaffolds provide a certain guarantee for improving the repair efficiency of bone tissue engineering.The composite methods,preparation technologies,mechanism of promoting bone regeneration for the magnetic scaffolds,and the synergistic function of magnetic field and magnetic scaffold have been reviewed in this paper.It also summarizes the applicatory research of several magnetic scaffolds in bone tissue repair engineering.Keywords:magnetic nanoparticles(MNPs),magnetic scaffolds,bone repair,bone tissue engineeringCorrespondence:Shao Huiping, 0 引言引言 网络首发时间：2022-06-20 17:25:44网络首发地址：https:/ DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 2 骨骼一般由羟基磷灰石（HA）、水和胶原蛋白等构成的矿物有机复合体，骨组织在提供运动机械支撑、保护重要器官以及调节钙、磷代谢中起到重要作用1。骨质缺损严重威胁着人类的健康，其诱因有很多种，包括各种事故、外科创伤、肿瘤、疾病感染、先天缺陷和老龄化等2，而创伤中骨移植需要大量的骨组织，由于自体骨的来源有限，异体骨又具有免疫原性应答或者疾病传播等问题3。因此，发展有效的骨组织修复与重建材料已经成为生物医学材料研究领域的重要部分。骨组织工程是一种在损伤部位重建功能性组织的方法，通常包括种子细胞、生长因子和多孔支架，所构建的系统要求满足生物力学条件、具有良好的生物相容性、适应机体的生理等4。尽管生物惰性和生物活性替代品已经在临床上成功应用，但还存在着许多问题，由于支架无法对生理或生物化学的刺激产生响应和植入物的表面性能抑制新组织的再生等，造成植入支架与体内骨不愈合或延迟接合甚至不接合5，此外，还存在支架植入后失去外部的直接干预影响，骨诱导活性因子等生物材料无法重新装填在支架上6，以及支架的血管化率低7等问题。受机械刺激和磁环境增强骨再生和骨折愈合的启发，磁性支架引起了越来越多研究者的关注，旨在通过磁性纳米粒子（MNPs）构建的磁性支架来改善上述问题8，磁性支架通过 MNPs改善支架表面性能，并且 MNPs 自身构建的磁性微环境可以影响细胞行为，明显诱导实质性血管组织和新骨组织形成，显示出优异的骨再生能力9,10。此外，磁性支架结合外部磁场能够通过驱动载药的磁性颗粒，使生长因子、激素和多肽等因子沉积在支架组织上，实现生物材料的重新装填和实时诱导骨组织再生，同时磁性支架在局部热疗、磁共振成像、基因治疗等方面有广阔的应用前景11-13，如图 1 所示，这些积极的结果表明，在支架中构建磁性微环境是促进骨再生和搭建多功能平台的有效策略。本文从磁性支架的基体材料、常见掺杂的 MNPs、MNPs 的复合方式和支架制备技术进行阐述，重点探讨了磁性支架的促进骨再生的功能、磁环境对骨组织再生的影响机制、磁性支架响应外部磁场对原位骨再生的协同作用，并介绍了几种功能磁性支架在热疗、靶向递送释放、磁共振成像等上的应用，此外还总结了磁性支架在骨修复和治疗中可能的潜在机制和前景。材料导报,2023,37(10):21100129 DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 3 图图 1 磁性支架的多种功能11 Fig.1 Multiple functions of magnetic scaffolds11 1 磁性支架磁性支架-促进骨再生促进骨再生 1.1 磁性支架基体材料磁性支架基体材料 磁性支架的构建主要将 MNPs 复合在基体材料中（少数磁性支架只采用 MNPs），目前骨组织修复工程中基体材料多采用具有生物活性和生物可降解性的材料，以及良好的骨诱导、骨传导和骨整合的性能要求。常采用陶瓷和高分子聚合物以及其复合材料来构建支架基体，陶瓷类多采用生物玻璃、硅酸钙、磷酸钙（TCP）、羟基磷灰石（HA），高分子聚合物类材料采用海藻酸钠、聚乳酸（PLA）、聚己交酯（PCL）、聚乙醇酸（PGA）、聚 L-丙交酯（PLLA）、聚乳酸-乙醇酸（PLGA）、壳聚糖（CS）、胶原蛋白、明胶等等14。随着人类对骨层次结构的进一步研究，采用仿生策略，来模拟天然骨的结构和性能，通过直接添加、原位矿化和 3D 打印等技术制备的矿化胶原蛋白支架是骨组织修复工程中理想的基体支架，此外，一些介孔结构材料、压电材料等特殊智能材料在骨修复上也有一定的应用潜能15。MNPs 由于其独特的磁性和良好的生物相容性而被用作生物材料，常被复合在基体材料中来构建磁性复合支架，以下通过几个方面来阐述 MNPs 在构建修复支架的多种功能。1）MNPs 通过细胞内吞进入细胞内部使其更容易影响细胞的生理功能16，并且一旦磁性颗粒暴露于外部磁场，它们将被快速磁化，磁性颗粒和磁场共同作用可以增强其骨组织修复治疗的有效性11。2）MNPs 本身是一个没有畴壁的单个磁畴，其作为微磁源可以产生微小的磁场，从而连续稳定地对细胞产生磁刺激，可以提高细胞的活性，促进细胞增殖分化，成骨基因的表达和骨基质的形成，对骨组织再生过程有积极的作用9,17。3）MNPs 使得支架的润湿性也得到改善，从而导致更多的蛋白质吸附和细胞附着和增殖，有效提高支架与生物体的整合18。4）掺杂 MNPs 还可以改善支架的结构性能和机械性能，而不会对理化反应和细胞相容性产生负面影响9,19。除此之外，在植入初期，炎症是支架不可避免的首要问题，磁性支架中的 MNPs 可以抑制慢性炎症反应并刺激急性炎症反应，并且磁性支架可以募集炎症相关的蛋白和免疫细胞，这显著增强骨伤口的愈合和细胞外基质的重塑，并促进了炎症免疫向再生阶段的过渡，有文献证明长期暴露于磁环境可能通过刺激促炎细胞因子的产生和增加某些血液学参数来影响免疫反应20,21。因此将磁性纳米材料掺杂在骨组织修复支架中，可以丰富修复支架的功能性，开发磁性功能支架在骨组织修复中具有巨大应用潜力。各种常见掺杂的 MNPs 总结如表 1，目前选用的磁性材料常见的有四氧化三铁（Fe3O4），此外还有铁、氧化铁（-Fe2O3）、尖晶石铁氧体（MeFe2O4，Me=Co、Mn、Zn、Ni、Mg）、锶铁氧体（SrFe12O19）、钇铁石榴石（Y3Fe5O12）等等，支架中复合磁性纳米材料会引入诸多的功能性离子，可以进行有目的地诱导，并提高骨组织工程的效率，如 CoFe2O4应用于骨支架，因为 Co2+离子具有诱导骨髓基质细胞新生血管的潜力材料导报,2023,37(10):21100129 DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 4 22，SrFe12O19纳米颗粒掺入骨支架中还可以募集内源性干细胞，Sr2+的促进成骨效果也很明显23。在众多磁性材料中，主要考虑磁性能和生物安全性等，铁氧体磁性材料具有良好化学稳定，在细胞培养和动物实验中展示出 MNPs 具有良好的细胞相容性，其中 MNPs 的粒度、表面性能和递送途径都会影响它们在体内的代谢和生物分布，MNPs 在体内主要通过生物降解，其通过细胞内吞后聚集在溶酶体，在相关酶的作用下降解并会释放出金属离子，支架基质局部会富集相对高浓度的金属离子，磁性支架拥有不同的成骨效果以及减少全身性副作用的优势24。然而，由于大多数磁性支架的在人体内治疗水平是未知的，以及释放高活性的 MNPs 在生物体内的代谢问题、控释问题、体内积累等生物安全问题急需进一步的探究，因此难以确定适当的金属离子负载程度和在确定的时期内释放的适当量。表 1 常见掺杂的磁性纳米颗粒 Table 1 Summary of various magnetic nanoparticles 磁性纳米颗粒 功能性离子的作用 生物相容性 主要优势及应用 参考 Fe3O4-Fe2O3 磁性支架中 Fe3+的释放提高人脐静脉内皮细胞的存活力，并显着增强血管生成 Fe2+参与血红蛋白、肌红蛋白等携氧蛋白的氧化还原反应等 附着磁性支架上细胞的碱性磷酸酶（ALP）活性和成骨基因表达增加了约 3 倍，细胞对骨基质矿物质的合成量增加了约 23 倍，Fe3O4是构建磁性支架使用最为广泛的材料 容易构建超顺磁性纳米颗粒，形成磁响应支架，在 4D 支架构建、磁热疗、增强 MRI 成像、靶向给药等上具有优势，具有良好磁性能和生物安全性，在体内可以代谢和清除 16,25-29 ZnFe2O4 Zn2+为骨中的一种基本微量元素，其在促进成骨细胞活性的同时抑制破骨细胞分化，锌缺乏症与多种骨病有关，如骨生长迟缓、骨密度低、骨质疏松等。合适剂量的材料具有良好的细胞相容性（成骨样细胞评估）功能离子的引入改善了磁性材料基体的生物性，有潜力构建抗菌材料、磁热疗多功能的骨修复支架 30,31 CoFe2O4 纳米结构的 Co2+离子具抗菌活性，Co2+离子具有诱导骨髓基质细胞新生血管的潜力 钴盐已被应用于治疗贫血的医学中，钴是维生素 B12的必需成分，但无机形式的钴离子对人体有害，取决于其剂量，改善组织的血管化效率，提高细胞活力和增殖能力，具有药物递送、骨癌治疗和促进骨组织再生潜力 22,32,33 MgFe2O4 Mg2+在骨骼重塑中参与骨骼代谢，通过增加成骨细胞活性来避骨质减少 MgFe2O4支架表面具有良好的 细 胞 粘 附 和 增 殖 能 力（MC3T3-E1 细胞），可促进ALP 活化 在促进骨的再生、抗菌、热疗、靶向给药等多方面都具有应用潜力 34 SrFe12O19 Sr2+通过诱导干细胞分化、促进成骨细胞增殖和降低破骨细胞活性来减少骨吸收等多方面促进骨组织的再生 诸多实验验证其生物相容性，其在人体中不会引起急性中毒，并且雷奈酸锶已经用于临床治疗骨质疏松症 无需外加磁场即可提供一定的磁环境，在磁热疗和近红外光热疗的上有应用潜力 35-37 1.2 磁性支架的复合方式磁性支架的复合方式 磁性支架的主要复合方式有：1）通过浸泡、喷涂等后处理方式，在多孔支架基体材料上形成磁性材料涂层38。2）磁性纳米材料以预混粉的形式均匀分布在支架基体材料中5。3）MNPs 原位自组装，在基体颗材料导报,2023,37(10):21100129 DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 5 粒或纤维上形核或依附，均匀分布在基体中39。4）晶格取代，将 Fe3+或 Fe2+取代基体材料中特殊晶格位置，从而将磁性引入到支架当中，形成磁性羟基磷灰石等支架基体材料40。不少研究将 MNPs 表面改性后再进行掺杂，如包覆高分子或无机材料等形成核壳结构，如图 2 所示 MNPs 掺杂在水凝胶、聚合物，以及磁性材料原位形核在生物陶瓷纤维基体中等。磁性涂层复合，磁性涂层主要是在多孔支架制备完成之后，附着在支架表面，一般通过浸泡在 MNPs 分散溶液中，通过 MNPs 较高的表面能和支架多孔毛细作用，吸附MNPs 形成涂层。第二、第三两种方式可以实现使得磁性相在支架中均匀分布目的，一般可以采用在制备过程中通过加入 MNPs，将基体材料与磁性粉末预混合后进行制备，还可以采用原位合成的方法，考虑 MNPs的易团聚性，基于溶液体系环境下，在基体纤维或颗粒上形核附着，达到均匀分布的目的。晶格取代，如Fe3+离子等在不同 Ca2+位置被引入羟基磷灰石或磷酸钙晶格中，引起超顺磁性行为，减少了作为支架中磁性第二相的存在，避免部分不耐热的磁性材料和 MNPs 的生物学安全问题。Panseri 等41制备了磁流体浸润和原位形核的 HA/胶原磁性复合支架，生物实验表明磁流体浸润的支架中残留 MNPs 明显高于原位形核的磁性支架，并且浸润支架的降解过程较慢，原位形核的磁性支架比浸润支架的骨愈合率要高，原位形核的支架的孔隙率、磁性相的均匀分布以及 MNPs 在复合材料中的低浓度可能是促进骨骼愈合更快的因素。图图 2 MNPs 常见的掺杂方式12 Fig.2 Common doping methods of magnetic nanoparticles12 1.3 磁性支架的制备方法磁性支架的制备方法 骨组织工程中种子细胞与支架的结合是至关重要的过程，细胞黏附、生长、血运重建等与支架的结构有密不可分的关系。支架的表面粗糙度、孔隙率、孔尺寸分布和相互连通的多孔结构等是植入成功的关键因素，其中表面粗糙和多孔连通的支架有利于细胞黏附及向内生长和血运重建，并且孔隙率水平直接影响细支架的生物降解率以及药物负载和释放速率，而支架的制备方法直接决定这类磁性支架的综合性能，目材料导报,2023,37(10):21100129 DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 6 前主要的制备方法主要包括多孔支架制备技术、静电纺丝技术、增材制造技术等，此外还基于磁性支架特有的磁性发展了磁场引导组装的磁性支架（如磁场低温凝胶）和 4D 磁性支架的构建，不同制备技术的优缺点和支架微观结构图，如图 3 和表 2 所示。图图 3 不同制备方法构建的磁性支架微观图 Fig.3 Microscopic images of magnetic scaffolds constructed by different preparation methods（a）热诱导相分离技术合成的 Fe/HA/PLLA 磁性支架42（b）冷冻干燥方法制备的掺杂 Fe3O4/明胶/HA 磁性 3D 支架43（c）电凝胶制备新型磁性丝素蛋白 e-凝胶支架44（d）聚合物海绵技术制造 Mg2SiO4-CoFe2O4纳米复合 3D 骨支架22（e）3D 激光打印涂有胶原的壳聚糖/羟基磷灰石/磁性纳米粒子的 3D 支架45（f）电纺制备核-壳结构的 Fe3O4纳米颗粒掺杂丝素蛋白的纤维支架46（g）磁场辅助冷冻铸造 Fe2O3多孔支架47（h）基于磁刺激的快速响应 4D 磁性支架48 多孔结构制备技术主要包括气体发泡49、低温凝胶50,51、颗粒浸出52,53、聚合物海绵技术22、粉末冶金54，静电纺丝55，增材制造56等等。溶剂浇铸，又称颗粒浸出法，利用聚合物和盐类（例如氯化钠、柠檬酸钠）在不同溶剂的溶解性不同，使致孔剂浸出并留下空间体积。冷冻凝胶化，又称冷冻干燥法、相分离法，是通过将混合溶液低温冷冻，将其中某部分溶剂和整体之间发生相分离来形成微孔结构的过程，常用多次冷冻干燥方法使聚合物材料实现永久性交联和多孔结构的构造。上述多孔制备技术通过各种方法使得基体中出现随机的多孔结构，与海绵状骨结构很相似，在制备仿生磁性支架上很有优势。静电纺丝材料丝径易于控制、有较高的比表面积、药物传递效率高、高空隙效率和渗透性，且易于在聚合物基体中掺杂材料导报,2023,37(10):21100129 DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 7 MNPs 及其他复合材料，在制备磁性纳米纤维复合材料很有优势。静电纺丝主要采用溶液纺丝、熔体纺丝、直写式纺丝等。Amarjargal 等55报道了一种由电纺制备的 Fe2O3纳米粒子掺杂聚氨酯纳米纤维磁热膜，使用电纺丝来生产聚合物纳米纤维基质，将分散在胶体中的 Fe3O4纳米粒子原位组装在纳米纤维膜上。Dankova 等57通过静电纺丝方法，将 MNPs 嵌入 PCL 中形成混合物来制备磁性支架，该实验表明，由于聚-己内酯纳米纤维和 MNPs 的协同作用，增强了细胞粘附和增殖，并支持成骨分化。表表 2 3D 磁性骨支架的制造技术 Table 2 Manufacturing technology of 3D magnetic bone scaffolds 制备技术 优势 缺点 参考 气体发泡 操作简易 表面层不均匀、机械性能差、难以实现相互连通的多孔结构 49 低温凝胶 高孔隙率、适合复合生物活性材料 周期长 50,51 颗粒浸出/溶剂浇注 低成本、高孔隙率 难以实现相互连接的多孔结构、残留浸出剂可导致细胞毒性 52,53 聚合物海绵技术 孔连通性好、高孔隙率 孔的贯通性较差 22 粉末冶金 机械性能好、孔隙率可控 部分磁性材料耐热性较差、宏观多孔 3D 结构不易构造 54 纤维纺丝 易于加工、多功能性、高表面积和孔隙率 难以设计宏观多孔的 3D 架构 55,57 3D 打印 重现性好、快速精确、易于构建促进血管化的结构 昂贵、高能耗、不易实现随机分布的微观孔 58,59 磁场引导组装磁性支架（磁场低温凝胶）所组装的支架可以控制支架结构中具有不同程度各向异性的纳米纤维或空间结构，模拟骨骼的复杂孔隙率，提高支架的抗压强度和弹性模量 需要构建均匀可控的磁场环境（亥姆霍兹线圈磁场发生器等）60,61 4D 磁性支架 组件磁响应智能支架，在时间维度上实现一些功能，适应人体骨再生的动态过程，改善静态、无生命的基体支架，提高骨修复效率 需要一定的响应材料和依赖外部触发条件（磁场、温度、PH 等）27,62 增材制造技术是通过逐层增量添加材料来制造的一种制备方法。3D 打印的支架除了易于精确匹配其生物缺损环境的宏观形状外，还可以在内部进行微孔隙的设计，以具有针对性的细胞附着和传导功能，还可实现具有内部梯度结构的骨支架，可以在同一支架中培养不同类型的组织（骨，软骨，血管等），梯度内部结构在增强支架的机械强度方面也起着重要作用。据报道63，利用支架的磁性和 3D 打印技术可以实现构建血管化的组织前体，因此应用 3D 打印可以制备具有精确预定义的内部和外部体系结构的磁性骨支架，随逆向工程发展，CT 和磁共振断层扫描技术结合 3D 技术在仿生人体骨骼上很有应用潜力。3D 打印在骨组织磁性修复支架中的主要应用技术有：粘结剂喷射、粉末床熔合、材料挤出等，光固化由于光敏树脂的生物相容性，应用存在局限，材料挤压类的打印技术在骨支架制备上应用很广，如熔丝制造（FDM），料浆材料导报,2023,37(10):21100129 DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 8 直写打印（DIW），3D 凝胶打印（3DGP）等构建磁性功能的复合支架等上有巨大优势。Chen 等64通过 3D凝胶打印技术制备了 Fe3O4/CaSiO3支架，具有良好的机械性能。Shuai 等5通过选择性激光烧结制备了掺入Fe3O4纳米颗粒的 PLLA/PGA 支架，以增强细胞活力并促进骨骼再生。基于磁性支架特有的磁性可以开发特有的功能和制备技术，目前研究了磁场引导组装磁性支架（如磁场低温凝胶）和 4D 磁性支架等，Nelson 等61采用低（7.8 mT）磁场辅助冷冻干燥技术制备多孔 Fe3O4支架，在冷冻过程中外加动态、均匀的低强度磁场使 MNPs 方向一致性，从而使大多数层状壁对齐在 30的磁场方向上，类似于自然界中的螺旋结构和布利根结构（提高抗冲击性），并且磁场运动产生的结构具有高应变率的机械性能。Zhu 等48开发了一种聚二甲基硅氧烷/Fe 复合料浆，采用 4D 打印创建具有快速响应时间的磁响应 4D 支架，其在外部磁场下协同下的实现结构上的变化。1.4 磁性支架促进骨再生的机制磁性支架促进骨再生的机制 磁性支架促进骨再生的机制，如图 4 所示主要分为两个方面，一方面，磁性支架所构建的磁环境或者结合外部磁场所构建的磁环境对骨再生的积极作用，适合的磁场在调节多种骨细胞行为中起着极其重要的作用，可以对细胞产生影响，例如细胞的形态，代谢活性，离子通道，基因表达，以及细胞增殖和周期分布等10，并且适合的磁场对骨折愈合和骨关节炎等的治疗具有增强作用。另外一方面是磁场和磁性支架协同作用，在外部磁场的协助下，MNPs 可以携带并靶向释放药物、生长因子等以及支架与体内组织固定等等，如图 4 B，在细胞和支架之间的界面处 MNPs 会引发机械刺激，提高细胞黏附，影响细胞膜上的受体及离子通道，进一步影响细胞内部的生理过程，增强细胞活性等。图图 4 磁性支架促进骨再生65 Fig.4 Bone regeneration function of magnetic scaffolds65 1.4.1 磁场对骨再生的影响磁场对骨再生的影响 磁性支架无论是结合外部磁场形成磁响应还是自身提供的磁环境，都可以形成一定的磁场来促进骨组材料导报,2023,37(10):21100129 DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 9 织的再生，目前对静磁场（SMF）和脉冲磁场（PEMF）对骨再生影响的研究最多，主要对骨骼和相关细胞的行为产生影响，磁场在促进调节因子的产生、骨髓间充质细胞（BMSCs）的分化、相关成骨基因的表达、血管的重建上等等有很好的助益。此外磁环境可以促进炎性免疫应答向再生免疫应答的过渡，加速骨组织愈合再生，而且磁场能缓解疼痛，因此它们在治疗关节炎方面也具有巨大潜力66，但长期持续的磁场刺激会给细胞对成骨作用带来负面影响，例如，在 0.5 T 磁场中连续刺激超过一周将抑制干细胞的活性，细胞因子分泌，增殖和分化67。其中两种磁场的区别在于磁场本身特性不同，SMF 处于静态，而脉冲磁场处于动态，脉冲磁场会引磁和电的双重影响。研究发现 SMF 可促进成骨样细胞的增殖、迁移、定向和分化，SMF 可以上调早期成骨细胞分化标志物骨形态发生蛋白 2 和 Runt 相关转录因子 2 等，诱导 BMSCs 成骨分化和促进基质矿化形成68，它还促进血管内皮生长因子和血管生成素基因的表达以及新骨组织中毛细血管的形成69。具有低中等强度的磁场对成骨分化具有积极作用，Kim 等67发现 3-50 T SMF 可以促进 BMSCs 增殖并诱导成骨分化。SMF 环境下对骨组织的影响机制，提出了以下几种，磁场主要通过霍尔效应、磁机械相互作用、自由基对效应等对骨骼产生影响70。1）霍尔效应中，研究发现骨组织具有其独特的腔小管系统，一些带电的生物分子，在 SMF作用下发生定向移动，正离子的净运动富集会形成流动电位和霍尔电压，进而对跨膜蛋白信号转导产生一定影响，影响腔管内生物分子的分布和引发信号级联反应。2）磁机械效应与 SMF 的均匀性和材料固有的磁性能有关，在不均匀的 SMF 中，材料会受到力作用，并沿着场梯度的方向定向，如果磁梯度足够大以平衡重力，则可以实现抗磁悬浮，而均匀的磁场使具有磁化率各向异性的材料趋于旋转，直到达到稳定的取向。3）自由基对效应 SMF 由于对反应中间体的自由基对（或电子自旋态）有影响，因此可以影响化学和生物学中某些化学反应的速率。目前对上述理论发挥生物学效应的机制仍有待确定。PEMF 能诱导干细胞定向迁移，促进成骨细胞的增殖和成骨分化，抑制破骨细胞分化，以及诸多实验表明 PEMF 可以加速骨折愈合和提高骨质密度71-73，其具体的调控机制可能与在骨骼中产生脉冲感应电流，影响一系列生物级联有关。相关实验表明 PEMF 会增加细胞内 Ca2+和钙调蛋白的活化74，PEMF 上调成骨相关基因和蛋白（如骨形态发生蛋白 2、骨钙素、碱性磷酸酶、Runt 相关转录因子 2、型胶原蛋白）的表达和促进细胞外基质矿化，可以诱导成骨分化并促进钙化75。此外 PEMF 可以通过调节核因子 B 受体活化因子/核因子 B 受体活化因子配体/骨保护素（RANK/RANKL/OPG）信号传导系统中的途径来影响破骨细胞的发育和激活，抑制破骨细胞分化76，因此 PEMF 可以改善骨骼质量和骨骼结构，并减少生物力学强度下降，增加骨密度。1.4.2 磁场协同促进骨再生磁场协同促进骨再生 除上述磁场作用外，磁场协同下的磁性支架，可以进一步增强骨骼愈合再生，磁性支架在磁场协同下，材料导报,2023,37(10):21100129 DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 10 一定尺度上存在更加集中的磁梯度可以影响细胞行为、内吞 MNPs 影响细胞内的生物活性和细胞播种分布、增强支架与愈合处的磁机械刺激和整合等等，如图 5 所示。此外还有文献阐述在外加磁场的情况下，支架的降解速度要快于没有外加磁场的支架，据推测，在外部磁场暴露下所募集的巨噬细胞更加活跃77。（1）在磁场协同下，激活了超顺磁性支架成骨功效，增强磁场对细胞增殖和分化的刺激作用，如图 5（）。在磁梯度的作用下，激活细胞内信号传导途径，促进血管生成和新骨组织的发育19，具体表现为整合素信号传导途径的启动78，Yun 等79实验中将磁性支架植入小鼠颅骨缺损中时，在 6 周时 SMF 的应用显着增强了新骨形成，此外，与 0MNPs 支架相比，无 SMF 的 10MNPs 支架的骨体积增加了 1.9 倍，在SMF 的影响下骨体积又增加了 1.4 倍，SMF 和磁性支架的协同还增强了通过内皮细胞的血管生成，促进了血管内皮生长因子和血管生成素-1 基因的更高表达，进一步提高了组织的血管化率。Huang 等80低温快速成型 Fe2O3/n-HA/PLA 复合支架，旨在研究脉冲电磁场对复合磁纳米粒子支架上 BMSCs 的影响，他们发现复合支架结合 PEMF 对 BMSCs 的分化具有积极作用。（2）磁性支架在磁场协同下，通过支架中的 MNPs 影响细胞内的生物活性，MNPs 容易被细胞内吞，并进入细胞内部，如图 5（），磁场可以抑制细胞内 MNPs 的释放，导致细胞内吞的 MNPs 几乎是无磁场协同细胞内的两倍，并且在磁场作用下，显著促进内吞 MNPs 的 BMSCs 成骨分化，提高碱性磷酸酶（ALP）活性，钙沉积以及胶原蛋白和骨钙素的形成，而且在一定程度内，细胞内摄取的 MNPs 越多，BMSCs 的成骨分化程度就越高81，因此，在磁场协同下对内吞 MNPs 的 BMSCs 的分化产生重要影响，这些发现与另一项 SMF 协同下使用 Fe2+/Fe3+掺杂羟基磷灰石支架培养成骨样细胞的研究结果一致，并且磁场协同下铁掺杂 HA 支架提高了细胞增殖率和成骨活性82。Zeng 等83研究支架中 MNPs 含量对细胞行为的影响，以及磁性支架与外部磁场之间的相互作用，结果表明磁性支架对细胞粘附、增殖和分化的积极影响，此外，磁性支架上较高含量的 MNPs 导致更明显的刺激，磁性支架可以对外部磁场产生响应，并产生一定的协同作用，从而增强磁场对细胞增殖和分化的刺激作用。因此，通过细胞内吞作用，磁场下磁性支架中的 MNPs 可以显著调节细胞行为和其骨再生能力。（3）磁性支架在磁场协助下可以促进磁性支架捕获结合磁性标记细胞等生物材料84，以及细胞定向排列生长，提高骨组织工程的修复效率，如图 5（）。Goranov 等63采用 3D 熔融堆积技术制备了 FeHA/PCL磁性支架，在非均匀磁场梯度作用下，将 MNPs 标记的人脐静脉内皮细胞和骨髓间充质干细胞在支架的相对侧单独排列。磁性支架将磁场梯度更将集中，形成短程（100200 m）强磁梯度，增强定向和捕获磁化细胞引导效果，磁场协助下的磁性支架可用于捕获和排列 MNPs 标记细胞，来形成一定的排列方式的细胞图案。Li 等85制备了具有良好的磁响应性和生物降解性磁性纳米 PLA 纤维，SMF 的协同促进的磁性纳米纤维支架上的成骨细胞定向生长和良好增殖。Liu 等86构建的磁性水凝胶支架，通过控制磁场强度，优化了材料导报,2023,37(10):21100129 DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 11 细胞培养在磁性支架中的位置，以改善细胞培养。（4）磁性支架在磁场的协助下，可稳固支架以避免在组织和生物材料界面发生微动，并提供磁机械力刺激促进骨组织的愈合和再生，如图 5（）。Panseri 等87将铁磁流体浸润的支架植入兔骨的外侧股骨中，并在其附近放置钛涂层的 NdFeB 永磁体，实验结果表明磁性支架都很好地整合在了周围的骨骼中，并注意到胶原纤维在与永磁体产生的磁力线相同的方向上排列，来支持骨组织和磁性支架的固定，磁机械刺激促进骨骼再生并减少界面处的微动。对于多孔凝胶类支架的外形容易形变，研究人员将 MNPs 掺杂到软柔性水凝胶的聚合物支架，利用外部磁场使聚合物链上负载一定的机械力，软磁性水凝胶支架在外加磁场的下产生的无压力软机械刺激可以诱导间充质干细胞形成软骨88。Russo 等89基于磁支架研究提出了一种新颖的磁固定方法并结合有限元模型优化固定效率，提高三种磁性结构：外部永磁环放置在腿附近的关节；4 个小型永磁针植入支架下骨；四个类似的植入不锈钢针，由外磁体诱导磁化，研究发现上述配置都能提供足够的支架固定，之外还探讨分析了在骨和支架界面的磁力所引起的压力对骨再生影响情况。图图 5 磁场和支架的协同功能 Fig.5 Synergistic function of magnetic field and scaffold 2 其他功能性的磁性支架其他功能性的磁性支架 在临床医学和新材料的交叉融合下，目前正进行设计和构造具有疾病治疗和组织再生多功能的生物医用材料平台，在骨组织修复工程领域中围绕磁性支架涌现了一大批的先进治疗理念和多功能材料平台，在磁热疗、靶向释放和递送、磁共振成像等上进行了诸多研究和应用。2.1 热疗功能的磁性支架热疗功能的磁性支架 材料导报,2023,37(10):21100129 DOI:10.11896/cldb.21100129 http:/www.mater- 12 恶性骨肿瘤在目前治疗过程中通常采用外科手术切除患病的骨组织，导致骨缺损，其中既要考虑抑制肿瘤生长和复发，又要考虑修复缺损和保留肢体功能，因此需要合理设计构造具有治疗和再生双重功能的植入生物材料，满足临床中治疗和组织再生的先进生物医学要求。MNPs 具有抗肿瘤的能力，可实现局部热疗，避免对周围正常组织的损伤，还可以提高成骨细胞活性和促进骨形成。MNPs 介导的磁热疗和光热疗以及联合治疗是有潜力的抗肿瘤方式，目前研究将 MNPs 掺杂改性支架，构建具有局部热疗复合功能磁性支架平台90，支