每年有数以亿计的骨植入物被用于治疗各种疾病，如骨创伤、骨关节炎和牙齿缺陷。然而，由于植入材料诱导的血管化不足，纤维包裹是植入失败的主要原因。当前研究致力于通过植入物材料成分和形貌设计来改善血管生成特性，但仍难以满足需求。能量代谢在血管再生中起关键作用，对骨缺损部位的快速能量供应是加速界面骨结合和防止纤维包裹的潜在策略，但加速能量代谢的植入材料仍有待开发。
从材料科学的角度来看，骨组织本身是由半导体功能结构组成的。其基本成分胶原蛋白纳米线和羟基磷灰石纳米晶体组装了一个类似于半导体PN结结构的三维空间结构，形成骨骼血管生长的基本微环境。半导体材料具有独特的能带结构和能量特性，在能量转换领域得到了广泛的应用。值得注意的是，医用金属植入材料的表面含有天然存在的半导体氧化物层，该层是半导体特征的材料，能够传输一系列生化和生物物理信号。这些信号可以刺激细胞行为，从而调节组织再生过程。因此，在植入物表面构建半导体功能结构有望调节细胞能量代谢并加速骨内血管生成。然而，很少有研究致力于构建用于促进血管生成的功能性半导体材料，仍不清楚半导体功能材料在血管相关细胞能量代谢中的调控作用及其血管生成功能。
图1半导体异质结3D-NTBH调节细胞的能量代谢并诱导血管生成和骨结合示意图（摘自ACS Nano）
该研究在骨植入物表面构建了三维半导体异质结网络（3D-NTBH），目的是调节内皮细胞能量代谢，促进血管生成和骨整合。3D-NTBH由3D二氧化钛纳米线和原位生长的不同电荷密度的单分散氧化铋纳米点组成。由于每个半导体异质结界面都存在内部电场，3D-NTBH在植入物表面构建了三维电微环境。3D-NTBH显著加速糖酵解过程，迅速提供能量以支持细胞代谢活动并增强血管生成和骨整合。作者系统研究了3D-NTBH对Arg-Gly-Asp（RGD）肽结构域暴露以及内皮细胞能量代谢的调节机制。
参考消息：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c09971
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