从植物到骨骼：研究人员开发出有望帮助人体自我重建的可持续材料

一项新研究揭示，木质素——一种天然植物聚合物——可被转化为一种生物活性材料，在支持成骨细胞生长的同时促进类骨矿物质的形成。受植物中木质素与二氧化硅天然伙伴关系的启发，这项研究朝着为未来骨再生疗法开发可持续的植物基材料迈出了充满希望的一步。
耶路撒冷希伯来大学博士后研究员斯林纳斯·帕拉库尔蒂（Srinath Palakurthy）博士与里夫卡·埃尔鲍姆（Rivka Elbaum）教授领衔完成的一项新研究表明，以赋予树木和作物强度而闻名的天然丰富植物材料，或许有一天能够帮助修复断裂的骨骼。该研究证明，木质素——植物主要的结构组分之一——可以被设计成一种生物活性材料，促进羟基磷灰石的形成，正是这种矿物质赋予了人体骨骼和牙齿强度。
该研究发表于《ACS 生物材料科学与工程》（ACS Biomaterials Science & Engineering），为当前骨移植材料提供了更具可持续性、基于植物的替代方案，而现有许多骨移植材料源自动物或合成来源。随着研究者致力于开发更安全、更环保的损伤骨骼修复方案，这类材料正日益受到青睐。
研究团队将目光聚焦于木质素，这是地球上最丰富的天然聚合物之一。尽管木质素早已因其抗氧化和抗菌特性而为人熟知，但其在再生医学中的潜力一直未被充分开发，因为其结构复杂且高度多变，难以预测它在生物系统中的行为。
为应对这一挑战，研究人员从高粱植株中提取了两种结构不同的木质素形式，并比较了它们的性能，既单独使用，也与二氧化硅——另一种植物将之纳入自身组织的天然材料——联合使用。
实验显示，其中一种富含酚羟基的木质素形式可作为羟基磷灰石形成的有效模板。两周之内，钙开始在该材料表面富集，随后磷开始沉积，并在四周内逐渐生长出类骨矿物晶体。同时，该材料在生理条件下会逐渐降解，这对于预期在愈合过程中被新生骨替代的支架材料而言是一项重要特性。
研究人员还评估了活性成骨细胞对该材料的反应。在适当浓度下，木质素不仅被证明具有生物相容性，实际上还促进了前成骨细胞——负责构建新骨的细胞——的生长。即使是木质素-二氧化硅复合材料也在提高可降解性的同时保持了与细胞的良好相容性，使其作为未来生物材料极具吸引力。
这种植物源材料并非仅仅充当被动的支架，它似乎能够通过为矿物质形成创造有利条件，主动参与骨再生的早期阶段。
领导实验工作的帕拉库尔蒂博士表示：「植物在进化过程中形成了构建坚固、功能性结构的精巧策略，我们想看看能否借用这些结构，并将其改造后用于再生医学。我们的发现表明，天然来源的木质素可以提供一个可持续的平台，不仅支持骨矿物质形成，还能营造有利于成骨细胞繁盛的环境。」
埃尔鲍姆教授补充道：「我们的工作表明，植物早已解决了我们在设计再生材料时面临的许多工程难题。通过借鉴植物组织中木质素与二氧化硅的天然伙伴关系，我们开发出一种可持续材料，它在支持骨矿物质形成的同时与活细胞保持相容。这证明了从自然获取灵感如何能为再生医学带来全新的解决方案。」
除医学潜力之外，这项工作还展示了木质素的一种创新用途——木质素是农业和造纸业大量产生的可再生副产品。为这一未被充分利用的资源寻找高价值的生物医学应用，有助于减少对开采材料和动物源材料的依赖，同时创造更可持续的医疗技术。
尽管在临床应用成为现实之前仍需开展进一步研究，包括动物试验，但这些发现确立了一个重要的概念验证：植物源生物材料不仅能替代传统材料，还能主动引导人体自身的愈合过程。
阅读论文：《ACS 生物材料科学与工程》（ACS Biomaterials Science & Engineering）
文章来源：耶路撒冷希伯来大学
图片：用于骨磷灰石生物矿化的植物基质。图片来源：斯林纳斯·帕拉库尔蒂博士