2.1   有机材料    2.1.1   聚合物   近年来，聚合物涂层应用于纳米颗粒在多个领域得到愈来愈广泛地关注。聚合物包括天然生物大分子和合成大分子，生物大分子来源广泛，将其应用于纳米颗粒可以获得良好的生物活性；合成大分子可根据不同的需求选择一种或多种小分子聚合物合成，从而结合了不同聚合物的优势。 合成大分子：聚葡萄糖为合成大分子，已被广泛应用于食品加工和临床，它由右旋糖酐聚合后形成，且右旋糖酐末端可以还原为山梨糖醇或被羧甲基化，在此基础上可制备出葡萄糖-山梨醇-羧甲基醚。YU等[5]通过水冷和磁内加热共沉淀法制备出以氧化铁为核心、葡萄糖-山梨醇-羧甲基醚为外壳的Fe2O3@葡萄糖-山梨醇-羧甲基醚纳米粒子，该核-壳结构的纳米颗粒分散均匀，平均粒径约为7.3 nm，可清除过量的活性氧，利于骨代谢平衡，从而有助于治疗铁蓄积性骨质疏松症。 聚多巴胺是由贻贝黏附蛋白启发制备的仿生高分子材料，它是由多巴胺在弱碱性环境下自聚合成。聚多巴胺最重要的特征之一就是它对几乎所有类型的表面都具有超强的黏附力，儿茶酚基团似乎起着核心作用；聚多巴胺还具有较强的化学反应性，其官能团能够与多种分子发生反应，且它还表现出良好的生物相容性[6]，因此聚多巴胺已成为生物医学、食品、化工等领域的热门材料。HUANG等[7]制备出一种新型磁性Fe3O4/聚多巴胺涂层，共沉积于3D打印多孔钛铝钒支架表面，该涂层在体外能促进人骨髓来源干细胞的附着、增殖和成骨分化，且能提高细胞的存活率，结合静态磁场后可进一步增强磁性纳米粒子的成骨能力。DUAN等[8]制备了包覆多巴胺的超顺磁性氧化铁纳米颗粒(Spion@PDA)，将Spion@PDA加入至人脐带间充质干细胞中并注射至大鼠体内，结果显示，在磁场和干细胞归巢的作用下成骨细胞出现增殖，促进了局部骨组织的修复。 聚乙烯醇是经聚醋酸乙烯部分或全部水解而成，是一种人工合成的生物相容性聚合物，具有高亲水性，在水中具有良好的溶解性[9-10]。将纳米颗粒应用于人体，必须保证这些纳米材料与细胞膜接触而不会损害重要组织，将细胞毒性降至最低。LAZARATOS等[11]构建出细胞膜模型来研究纳米颗粒与细胞膜之间的相互作用，实验结果表明，涂有聚乙烯醇和聚阿拉伯酸的磁铁矿纳米颗粒不会破坏细胞膜模型的稳定性。SCHULZE等[12]制备了氨基-聚乙烯醇包裹的超顺磁性氧化铁纳米颗粒，发现该纳米颗粒能够提高骨髓间充质干细胞的代谢活性和迁移率。 聚乙二醇是由多个乙二醇单元组成的聚合物，它作为纳米颗粒表面的一种修饰物已被证明可以减少纳米颗粒在肝脏中的摄取，能够克服单核巨噬细胞系统的细胞识别和清除，从而并延长循环寿命[13]。骨是一种高度血管化的组织，其发育和再生受到血管结构的严格调控，目前大范围骨缺损修复失败的主要原因包括血管化的不足。有学者通过使用聚乙二醇作为基质成功建立了一个人工血管化的骨组织样环境，从而诱导细胞向成骨向分化[14]。FILIPPI等[15]将磁性纳米颗粒、聚乙二醇水凝胶和人类脂肪组织间质血管部分的细胞共组装制备了磁化水凝胶，在外加磁场的情况下，磁性基质能够诱导人类脂肪组织间质血管部分细胞的成骨作用；大鼠体内实验显示，8周后在整个凝胶上可见带有红细胞的血管，显示出高度血管化的组织，并且能够观察到致密矿化组织的形成。但是最近也有报道表明，聚乙二醇在哺乳动物身上使用会引发免疫原性反应，但这种反应的程度需要进一步研究[13]。 聚甲基丙烯酸甲酯是一种高分子聚合物，为FDA批准的生物材料，它机械强度较高、质轻、廉价，这些优点使得其应用于不同的领域，尤其是口腔科和骨科。聚甲基丙烯酸甲酯最早作为骨水泥应用于临床，后来逐渐应用于关节置换手术中，此外还可用于可摘局部义齿、临时冠桥的制作，以及下颌骨折的外固定与颌面部修复等[16]。磁性纳米颗粒位于交变磁场环境中时会产生热效应，基于这一行为，有人提出含有磁性纳米颗粒的骨水泥可用于骨肿瘤的热疗；磁性纳米颗粒的感热机制取决于颗粒的尺寸，骨水泥的加热能力取决于颗粒的数量和尺寸。LI等[17]将不同粒径的Fe3O4加入到聚甲基丙烯酸甲酯的聚合反应中制备了含有不同粒径Fe3O4纳米粒子的聚甲基丙烯酸甲酯基水泥，并对其在不同交变磁场下的体外热性能进行了研究，通过细胞增殖来判断该生物材料的生物相容性，实验结果显示，聚甲基丙烯酸甲酯/Fe3O4骨水泥具有较高的热效率，能够用于骨肿瘤的治疗。同样的，YU等[18]制备出聚甲基丙烯酸甲酯-Fe3O4具有机械支撑和热消融的双功能可注射生物材料，在CT的引导下将聚甲基丙烯酸甲酯-Fe3O4注射至骨肿瘤区域，待材料固化后外加磁场，使其杀灭肿瘤细胞产生热消融的作用，同时为局部愈合提供了机械支撑；体内实验结果显示，聚甲基丙烯酸甲酯-6%Fe3O4在发挥其双重作用的同时，还降低邻近骨骼骨折的概率，CT图像可看到有新骨的形成，显示出良好的生物安全性和生物相容性。 该方法可提高骨肿瘤的治疗效率，实现微创疗法。但是，聚甲基丙烯酸甲酯也有其缺点，在其聚合过程中会释放大量的热，从而对周围组织造成损伤；在组织学层面，聚甲基丙烯酸甲酯只会与松质骨形成机械结合；且其单体成分具有毒性作用[16]。 聚乙烯吡咯烷酮是以N-乙烯基吡咯烷酮为单体合成的水溶性聚合物，它具有良好的生物安全性。REDDY等[19]将聚乙烯吡咯烷酮包覆在超顺磁性氧化铁外，对间充质干细胞进行标记，所制备的聚乙烯吡咯烷酮-超顺磁性氧化铁稳定性良好，普鲁士蓝染色和电子显微镜显示几乎所有的细胞都被聚乙烯吡咯烷酮-超顺磁性氧化铁纳米颗粒有效地标记，没有细胞毒性迹象，不影响细胞的增殖、分化及骨的修复。这些结果说明，聚乙烯吡咯烷酮-超顺磁性氧化铁纳米粒子能作为一种安全有效的磁共振对比剂，可以实现干细胞的非侵入性活体追踪，有助于进一步研究阐明推动干细胞向缺损修复区域迁移的机制。 甘蔗作为全球年产量最高的农作物，其经过榨糖之后剩下的甘蔗渣产量较高、成本低，可以进行“废物利用”，主要应用于造纸等领域，能够解决白色污染等环境问题，成为一种绿色环保资源。甘蔗渣含有大量的纤维素，先前的研究表明，纤维素具有良好的生物降解性和较低的毒性，可作为组织工程中一种有前途的支架材料[20]，但其作为支架在组织工程中的应用还很匮乏。KIM等[21]采用水热碳化法将甘蔗渣转化为加氢半焦，首次通过还原-沉淀法用加氢半焦对Fe3O4纳米粒子进行改性，结果显示加氢半焦@Fe3O4表现出的骨传导增强作用是对照组的3倍，并且可以锚定在人脂肪组织间充质干细胞的受体上促进成骨。 天然生物大分子：壳聚糖是一种天然聚合物，是由甲壳动物贝壳中的甲壳素脱乙酰基后的产物，普遍存在于自然界中[22]。 研究结果表明，壳聚糖有利于成骨细胞的生长及具有抗菌性。SHI等[23]将壳聚糖包裹于氧化铁纳米颗粒上，平均粒径约35 nm，能够促进人类成骨细胞增殖与分化。壳聚糖包被的纳米颗粒具有大的比表面积，有利于成骨细胞的黏附；加入外部磁场后，可以将磁性纳米颗粒被引导到期望的骨形成部位。NEHRA等[24]观察了壳聚糖包被的纳米颗粒对5种微生物的抗菌和抗真菌活性的影响，采用抑菌环直径来判断抗菌的能力，结果显示与单纯的Fe3O4纳米颗粒相比，壳聚糖包被Fe3O4 纳米颗粒的抗菌活性较强。RABEL等[25]通过绿色原位法制备了壳聚糖-氧化铁纳米复合材料，结果显示该复合材料能有效抑制实验菌株的生长。同样，BHARATHI等[26]构建的壳聚糖-氧化铁纳米复合材料，相比于FeO纳米颗粒对革兰阳性和阴性细菌均显示出更高的抗菌活性。壳聚糖表面具备特殊的理化特性，有助于药物的渗入，因此壳聚糖也是一种理想的载药工具。综上，壳聚糖良好的水溶性和生物相容性、无毒性、抗菌及载药等性能，能够与磁性纳米颗粒结合，通过外加磁场将载有药物的纳米颗粒吸引到骨缺损部位，可表现出持续的抗菌及成骨作用。但壳聚糖原料有限、生产成本高、成产质量不一等问题也是不容忽视的。 葡聚糖具有良好的水溶性和生物相容性。杨滨羽等[27]将葡聚糖包裹于超顺磁性氧化铁纳米颗粒外制成葡聚糖超顺磁性氧化铁纳米颗粒，该纳米颗粒平均粒径为(18.0±8)nm，且分散均匀；将葡聚糖超顺磁性氧化铁纳米颗粒直接注射到兔膝关节腔内可进行关节软骨磁共振增强成像，有助于骨关节炎软骨病变的诊断与治疗。 2.1.2   小分子(偶联剂、表面活性剂)  小分子修饰纳米粒子包括偶联剂和表面活性剂，其中主要包括硅烷偶联剂、氨基酸、二巯基丁二酸等[28]。HAO等[29]采用油酸对氧化铁纳米粒子进行了表面修饰，以聚乳酸-羟基乙酸共聚物为基质，组成纳米复合材料并在外加磁场干预下对其生物学性能进行检测，结果发现油酸修饰过的氧化铁纳米颗粒形状不规则，平均直径为(9.1±2.8) nm，透射电镜显示聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的油酸纳米颗粒表现出良好的分散性和稳定性；在外加静磁场的情况下该复合材料可显著改善细胞附着和成骨分化，展现出良好的生物相容性。 赖氨酸是组成蛋白质的成分之一，是人体的必需氨基酸，但机体不能合成，只能从食物中获取，其中只有L-型赖氨酸才能被人体吸收。由于L-赖氨酸的稳定性能够避免巨噬细胞的吞噬，从而降低信号的损失，可实现长期显像，因此，SHELAT等[30]利用L-赖氨酸功能化磁性氧化铁纳米颗粒作为细胞标记和显像剂，研究对骨髓间充质干细胞的作用，结果显示，L-赖氨酸功能化磁性氧化铁纳米颗粒组中无炎症迹象且观察到大鼠骨和软骨早期愈合；体外细胞毒性检验显示，80 mg/L的L-赖氨酸功能化磁性氧化铁纳米颗粒对细胞的损伤最小，表明L-赖氨酸具备良好的生物相容性及抗炎干预作用，可以促进软骨再生。 二巯基丁二酸为双极性表面活性剂，通过包覆二巯基丁二酸能将氧化铁纳米粒子表面由有机相转变成水相，提高其亲水性[31]。SILVA等[32]制备了包覆二巯基丁二酸的氧化铁纳米粒子，透射电镜下观察γ-Fe2O3-二巯基丁二酸成不规则的方形或球形，直径在5-18 nm之间；γ-Fe2O3-二巯基丁二酸对骨髓间充质干细胞无明显细胞毒性，能促进骨髓间充质干细胞的成骨向分化；体外和体内实验证明了γ-Fe2O3-二巯基丁二酸具有磁靶向骨髓间充质干细胞的潜力。所以，γ-Fe2O3-二巯基丁二酸可以作为磁靶向制剂将药物或生长因子定向的浓集至骨髓间充质干细胞，进而促进骨缺损区域的修复。 2.2   无机材料   2.2.1   二氧化硅   氧化铁纳米粒子表面修饰常选用的无机材料主要是二氧化硅，这是因为二氧化硅具有以下几个优点：①二氧化硅存在于自然界中，来源广泛，在日常生活、科研等方面有着重要的用途；其化学性质稳定，能降低磁铁矿纳米颗粒的细胞毒性，具有良好的生物相容性及亲水性；②可削弱磁性纳米粒子之间的偶极相互作用，改善粒子的分散性，防止发生团聚现象；③经处理过的二氧化硅具有较大的比表面积，吸附作用较好，作为载体可提高载药量；④制备复合纳米颗粒的技术已成熟，为应用于骨缺损修复提供了技术支持。 有人认为硅离子的释放能够刺激骨髓间充质干细胞的成骨分化[33]。JIA等[34]合成了介孔二氧化硅包裹磁性Fe3O4纳米颗粒，二氧化硅外壳防止磁性颗粒聚集和快速降解，在大鼠牵张成骨过程中效果显著。干细胞疗法是将具有多向分化功能的干细胞移植到患者体内，来修复或替换受损的组织或细胞，从而达到治疗的目的。在外部磁场的作用下，加入磁性纳米颗粒的干细胞能够定位到体内所需要的位置。LEE等[35]将二氧化硅包裹的磁性纳米颗粒与聚乙二醇涂层的磁性纳米颗粒进行了对比，发现硅化后的磁性纳米颗粒在骨髓间充质干细胞中显示出更高的细胞摄取效率，认为表面涂层材料可能对细胞摄取的速度和程度都有重要影响。 有研究表明，纳米颗粒的不规则形状可能有利于细胞内化，减少它们在肝脏或脾脏中的清除率，从而延长它们在体内的半衰期[36]。WANG等[37]采用共沉淀法制备出多面体结晶超顺磁性氧化铁纳米颗粒，并在纳米颗粒表面上涂覆一层薄薄的二氧化硅，然后在二氧化硅表面官能化，通过胺进行改性得到超顺磁性氧化铁纳米颗粒@SiO2-NH2，透射电镜显示纳米颗粒在骨髓间充质干细胞中保持接近单分散状态，表面胺修饰使超顺磁性氧化铁纳米颗粒@SiO2-NH2对骨髓间充质干细胞标记效果比超顺磁性氧化铁纳米颗粒@SiO2提高了3.9倍，且无细胞毒性，具有持久的磁共振成像标记效果。Yao等[38]进一步证实超顺磁性氧化铁纳米颗粒@SiO2-NH2纳米粒子能有效标记骨髓间充质干细胞，有利于其迁移，标记后的骨髓间充质干细胞仍能存活并保持成骨和成脂分化潜能。 生物活性玻璃是世界上唯一一种既能够与骨组织成键结合，同时又能与软组织相连接的人工生物材料，其主要成分包括SiO2、Na2O、CaO、P2O5等。有研究显示，生物活性玻璃能够促进刺激血管生成生长因子的释放，从而血管的生成，且能促进成骨细胞的增殖[39]。由于生物活性玻璃具有良好的生物相容性及生物活性，被广泛应用于口腔科、骨科的骨缺损修复及软组织愈合。SINGH等[40]通过电化学放电在镁合金表面成功制备了生物活性玻璃-Fe3O4-壳聚糖纳米复合涂层，结果证明该复合纳米涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有明显的抑制作用；进行7 d的生物学活性评估后发现，涂层表面出现了磷灰石矿化现象，提高了骨结合的能力；基于以上结果，该复合纳米涂层可以促进骨的形成，在控制感染的同时有效的进行骨缺损修复。KESSE等[41]采用共沉淀法和溶胶?凝胶化学相结合的方法制备出以SiO2-CaO生物活性玻璃为外壳，以超顺磁性γ-Fe2O3为核心的磁性生物活性核壳纳米颗粒(γ-Fe2O3@SiO2-CaO)，透射电镜下观察该纳米颗粒没有团聚现象，且保持了纳米尺寸；在交变磁场作用下磁性纳米颗粒能够释放热量，从而杀灭肿瘤区域的致癌细胞，此为磁热疗法；磁热疗法结合生物活性玻璃的生物相容性及促进成骨等优点，可以作为一种有前途的治疗骨癌的生物材料，进而达到抑制并杀灭癌细胞、促进骨组织修复的目的。 2.2.2   碳   碳纳米管是管状纳米级石墨晶体，由一层或多层石墨片按照一定的螺旋角卷曲而成的纳米材料，具有较大的比表面积，从而有着较强的吸附能力，此外由于其极高的机械强度、独特的导电性及热稳定性，受到了电化学、复合材料等领域的青睐。?WI?TEK等[42]制备了羟基多壁碳纳米管，加入磁性氧化铁纳米颗粒后形成杂化纳米颗粒，进而对聚己内酯进行修饰，经过羟基化的碳纳米管生物相容性得到了提高，且由于杂化纳米颗粒的存在提高了人骨肉瘤SAOS-2细胞的黏附性。 有研究显示，多壁碳纳米管可增强复合支架的机械强度，能促进MC3T3-E1成骨细胞的矿化能力[43]。SABER-SAMANDARI等[44]采用冷冻干燥技术成功制备出明胶/阿克曼石/Fe3O4/多壁碳纳米管原位纳米复合双功能多孔支架，该支架将磁性纳米氧化铁作为光热转换剂起到热疗的作用，同时又具备组织再生的功能；磁铁矿和碳纳米管纳米颗粒的加入降低了纳米复合材料的弹性，减少了支架过度膨胀降低机械强度的可能；理想的支架必须具备可控的生物降解速度，从而能够与组织生成速度相匹配，实验结果表明该复合支架的生物降解性下降，为组织再生提供了时间；多壁碳纳米管的加入还增加了蛋白质的吸附率，对局部组织修复的成败起到关键的作用；对支架的生物相容性进行评价，结果显示该复合支架具备良好的生物相容性，且磁铁矿和多壁碳纳米管可以促进G292成骨细胞的生长和增殖。 2.2.3   其他   除了二氧化硅和碳以外，磷酸钙、羟基磷灰石、部分金属也常常作为修饰氧化铁的无机涂层，进而改善纳米粒子的理化性状。 磷酸钙骨水泥具有良好的骨传导性，能够为血管的长入和新骨的形成提供一个支架，作为一种新型的人工骨材料，在骨缺损修复领域的应用已越来越多。XIA等[45]将氧化铁纳米粒子粉末添加到磷酸钙骨水泥粉末中制成磷酸钙骨水   泥+氧化铁纳米粒子支架，氧化铁纳米粒子的加入弥补了磷酸钙强度低的缺点，增加了支架的机械性能，其中含3%氧化铁纳米粒子的磷酸钙骨水泥最大程度上促进了人牙髓干细胞的成骨分化。羟基磷灰石是一种胶体磷酸钙，主要存在于人体的骨骼和牙齿中，将羟基磷灰石作为修饰物在生物相容性方面增强了氧化铁纳米粒子的仿生性。TRAN等[46]成功制备出羟基磷灰石包覆的磁性氧化铁纳米粒子，纳米颗粒呈棒状，平均粒径为170 nm；结果显示，羟基磷灰石包覆的Fe3O4纳米粒子促进了人成骨细胞的增殖与分化，且具备相似的超顺磁性，利用外部磁场可将其定向到骨缺损部位实现骨修复。 研究显示，棒状颗粒比球形颗粒组成的羟基磷灰石多孔生物陶瓷有着较好的生物可吸收性，且能迅速实现骨结合，棒状颗粒的缠绕还提高了材料的机械性能。所以，KAMITAKAHARA等[47]采用水热法制备了磁性纳米颗粒与羟基磷灰石纳米颗粒复合的球形多孔羟基磷灰石颗粒，即将磁性纳米颗粒与羟基磷灰石纳米颗粒组成的复合纳米颗粒嵌入到棒状羟基磷灰石颗粒组成的多孔球形颗粒中，随着骨的生成，羟基磷灰石被逐渐吸收，磁性纳米颗粒也随之被巨噬细胞吞噬；实验结果显示，在交变磁场下该复合纳米材料能够产生足够的热量来杀死肿瘤细胞，有望用于骨肿瘤的热疗。贵金属由于其惰性、化学性质稳定具备良好的生物相容性。 有研究显示，金(Au)纳米粒子对骨髓间充质干细胞的成骨分化有促进作用[48]。YUAN等[49]采用晶种生长法合成了超顺磁性氧化铁-Au核-壳纳米粒子，探讨了不同浓度超顺磁性氧化铁-Au对小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)活力、增殖、分化的影响，透射电子显微镜显示该纳米粒子呈现标准球形形态，分散且稳定，平均粒径为(17.3±1.2)nm。超顺磁性氧化铁-Au纳米粒子对MC3T3-E1未发现有明显的细胞毒性作用，且具备促进MC3T3-E1成骨分化的能力，超顺磁性氧化铁-Au浓度≤40 mg/L时表现出较佳的增殖效果。 2.3   有机-无机复合材料   矿化胶原是由胶原分子和纳米磷酸钙矿物组成的有机-无机复合材料。针对骨修复，单纯的胶原支架力学性能较差，单纯的磷酸钙支架具有较强的强度，但是韧性较差；骨骼成分既具备刚性又具备韧性，所以矿化胶原是进行纳米粒子表面修饰的一个合适的选择[50]。ZHOANG等[51]在钛基体表面设计了Fe3O4/矿化胶原涂层，在外加磁场的作用下该涂层可产生变形，从而对植入物表面和细胞产生机械刺激，促进MC3T3-E1细胞的成骨分化；实验结果显示，质量比为0.67的涂层具有较明显的机械刺激效应，促进了外层的成骨细胞的铺展面积、增殖分化与成骨相关基因的表达；这为实施机械刺激以激活骨-种植体界面上的机械转导进而促进骨整合提供了一种很有前途的策略。"