摘要：脊柱外科医生对如何促进患者的新骨骼生长的问题，尚未有定论，但现在科学家们已经设计出了一种生物活性纳米材料，它可以很好地刺激骨骼再生，这有可能成为外科医生更认同的方法。 研究人员研究了纳米材料对生长因子BMP-2活性的影响。他们发现，在动物模型中成功的脊柱融合需要100倍的蛋白质。

  目前，西北大学的科学家们已经设计出了一种生物活性纳米材料，这种生物活性纳米材料在刺激骨骼再生方面效果非常好，这种方法得到了外科医生的认同。（该纳米材料见上图）

  研究人员说，虽然这种脊髓融合实验是在动物模型中进行研究的，但这种促进新骨生长的方法可以很容易转化为人类所用。在美国，很多老龄化但仍有活力的人群越来越多地接受这种手术来治疗由于椎间盘退变引起的疼痛，创伤和其他背部问题。另外，许多其他类似疾病可以从纳米材料中受益，从修复骨创伤到骨癌治疗到牙种植体的骨生长。

  开发新纳米材料的Samuel I. Stupp说：“由这种生物纳米活性材料制成的再生药可以通过提供更少免疫反应和更成功的促进骨骼生长的方法来改善生活质量。我们的方法非常灵活，可以适应其他组织的再生，包括肌肉，肌腱和软骨。”

  Stupp是西北生物纳米技术学院的辛普森？奎里研究所所长，另外还是材料科学与工程，化学，医学和生物医学工程教授。

  对于跨学科研究，Stupp与西北大学费恩伯格医学院的矫形外科研究助理教授Erin L. K. Hsu博士与矫形外科副教授Wellington K. Hsu医生合作。 这一夫妻团队一直努力改善临床上使用的骨再生方法。

  纳米材料表面的糖分子能够为骨骼提供再生能力。 研究人员研究了“糖衣”纳米材料对临床使用的生长因子（称为骨形态发生蛋白2（BMP-2））的活性的影响。他们发现成功的脊柱融合所需的蛋白质的量减少到前所未有的水平：需要100倍的BMP-2。 这是一个非常好的消息，因为已知生长因子在以高质量骨骼再生所需的量使用时会引起危险的副作用，而且价格昂贵。

  该研究结果已经于六月十九日刊登在《自然纳米技术》杂志上。Stupp的可生物降解纳米材料用作人造细胞外基质，其模拟身体中的细胞与其周围环境相互作用。BMP-2激活某些类型的干细胞，并将其信号变为骨细胞。 由微小的纳米级丝状材料组成的基质通过分子设计将天然糖结合在我们的身体中，然后在需要时缓慢释放，而不是可能会造成副作用的在早期一次性爆发。

  为了创建纳米结构，Stupp领导的研究小组合成了一种特殊类型的糖，当细胞信号需要传导来促使骨骼生长时，这种糖能像自然情况下一样激活BMP-2。 显示在纳米结构表面上的快速移动的柔性糖分子“在实际部署信号的时候将”蛋白质“捕获在生物系统中的特定位置。 这会使骨骼生长信号的增长到惊人的水平，甚至超过我们身体中天然存在的糖聚合物。

  在本质上，糖聚合物被称为硫酸化多糖，其具有目前化学技术无法合成的超复杂结构。已知生物系统中有数百种蛋白质具有结合这些糖聚合物的特定结构域以激活信号的能力。这些蛋白质在组织再生中都非常重要，包括血管生长，细胞聚集和细胞增殖。因此，Stupp团队的方法可以扩展到其他再生目标上。

  脊柱融合是一种常见的外科手术，使用骨移植物和生长因子将邻近的椎骨联合在一起，以促进新的骨骼生长，从而稳定脊柱。 移植物中使用的骨骼可以来自患者的骨盆，也可以来自骨库。

  脊柱外科医生Wellington Hsu说：“临床上有效，安全并具有成本效益的形成骨骼的方法是被迫切需要的，这种纳米材料的成功令我兴奋，所有脊柱外科医生有一天可能会应用这种骨移植方法，现在如果你询问脊柱外科医生有关骨移植的问题，你会得到用于骨骼移植的15到20个不同的答案，我们需要标准化选择并能改善患者的结果。”

  体内部分的研究中使用胶原海绵将纳米材料递送至脊柱，是外科医生目前能临床提供BMP-2以促进骨骼生长的方式。

  西北研究团队正计划征求食品药物管理局的批准，开展临床试验，研究人体骨再生纳米材料。

  Wellington Hsu说：“我们的外科医生正在为生长因子和细胞寻找最佳载体。由于其众多的结合位点，这种新纳米材料的尝试比现有载体在身体准备好时释放生长因子更成功，并且时间对于骨再生的成功至关重要。”

  在新的纳米材料中，Stupp在15年前开发了一套支架，“糖衣”被显示在由自组装分子（称为肽两亲物）构建的支架中。这些合成分子在他的再生医学工作中是至关重要的。

  Stupp说：“我们专注于骨骼再生，以证明糖纳米结构能够提供较大的生物信号。在我们的身体中，随着设计的略微变化，这种方法可以与其他生长因子一起用于各种组织的再生，有一天我们可以完全摆脱重组生物技术生长因子的使用。”