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  聚丙交酯（PLA）、聚乙交酯（PGA）及其共聚物聚丙交酯-乙交酯（PLGA）等脂肪族聚酯高分子材料，由于具有較好的生物相容性、降解性和力學(xué)性能，已被廣泛應(yīng)用于骨、軟骨等硬組織的固定與修復(fù)，在美國(guó)已被FDA認(rèn)證應(yīng)用于臨床。但其作為組織工程修復(fù)材料應(yīng)用時(shí)，其降解速率只能通過高分子基體的分子量、結(jié)晶度或者共聚物中如丙交酯（LA）與乙交酯（GA）的比例等來預(yù)先設(shè)定和調(diào)節(jié)，植入體內(nèi)后尚無有效方法根據(jù)骨組織愈合情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。材料的降解速率若與骨生成速度不匹配，往往會(huì)導(dǎo)致慢性炎癥的發(fā)生，并在植入部位形成空洞，阻礙骨骼愈合速度并影響骨愈合質(zhì)量。因此，迫切需要開發(fā)一種有效的方法來調(diào)控材料植入體內(nèi)后的降解速率以匹配骨組織的愈合狀態(tài)，這將是促進(jìn)未來材料醫(yī)學(xué)應(yīng)用的一個(gè)重要技術(shù)。

  為實(shí)現(xiàn)植入體的可控降解，章培標(biāo)研究員團(tuán)隊(duì)通過將四氧化三鐵納米粒子引入可降解高分子材料制備磁性復(fù)合支架，利用磁性納米粒子的磁熱效應(yīng)和可降解聚酯材料降解行為的溫度依賴性建立了組織工程支架的磁控降解模型，并探索其在交變磁場(chǎng)（AMF）下的降解行為。

圖1. 材料制備、磁控降解模型、實(shí)現(xiàn)機(jī)制及潛在應(yīng)用。

  體外降解實(shí)驗(yàn)表明磁性復(fù)合材料在交變磁場(chǎng)下保持較高溫度，同時(shí)其降解速率也明顯加快，其中與疏水高分子基質(zhì)具有較好界面相容性的油酸修飾的四氧化三鐵納米粒子在相同交變磁場(chǎng)下加速支架降解的效果更為顯著。

圖2. a) 支架和緩沖液在交變磁場(chǎng)中的溫度變化；b) 支架在降解過程中質(zhì)量損失的變化；c) 支架在0周和降解12周時(shí)的Micro-CT掃描軸向圖。

  該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用粗粒化的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了高頻震動(dòng)的納米粒子其性質(zhì)（尺寸、表面修飾等）對(duì)高分子基體升溫效率的影響。結(jié)果表明具有接枝鏈的小粒子在受到交變力作用時(shí)對(duì)體系的升溫效果更加明顯，這可能是因?yàn)榇判约{米粒子與聚合物基質(zhì)之間的運(yùn)動(dòng)相關(guān)性增強(qiáng)可加速能量傳遞。磁性納米材料的引入，彌補(bǔ)了高分子可降解組織工程支架體內(nèi)降解行為不可調(diào)控的難題，分子動(dòng)力學(xué)模擬則進(jìn)一步提供了納米材料的優(yōu)化策略以獲得更高的加熱效率。磁控降解有望成為一種人為調(diào)控植入物降解行為的新策略，可設(shè)計(jì)出一種具有非侵入性和時(shí)空治療優(yōu)勢(shì)的便攜可穿戴設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)臨床的精準(zhǔn)治療和個(gè)體化治療。

圖3. a) 粗粒化分子動(dòng)力學(xué)模型示意圖；b) PLGA基底溫度隨模擬時(shí)間的變化。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Functional Materials（Adv. Funct. Mater. 2021, DOI:10.1002/adfm.202009661）上。論文的第一作者為長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所應(yīng)用化學(xué)專業(yè)博士生郝莉莉，通訊作者為章培標(biāo)研究員，共同通訊作者為長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所郭敏博士。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202009661