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東華大學何創(chuàng)龍教授團隊《Adv. Funct. Mater.》：仿生骨微環(huán)境的多級結(jié)構(gòu)生物活性支架增強血管化骨再生
2022-02-16  來源：高分子科技

  由于骨植入物早期血管新生的延遲和較弱的成骨活性，骨缺損的再生修復難以獲得較好的成效。骨重塑是一個持續(xù)而復雜的過程，其中血管生成和骨生成緊密相連，而血管網(wǎng)絡的形成為組織的存活提供了適當?shù)奈镔|(zhì)基礎。工程化的微通道網(wǎng)絡可以改善氧氣擴散和營養(yǎng)物質(zhì)輸送，并能加速血管的形成，但如何在骨修復支架內(nèi)部快速有效地構(gòu)筑結(jié)構(gòu)良好的血管網(wǎng)絡仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。


  近期，東華大學何創(chuàng)龍教授團隊在前期工作基礎上（Bioact. Mater., 2021, 6(10):3254-3268；Biomater. Sci., 2021, 9(7):2631-2646; Composites, Part B, 2021, 223: 109100; Chem. Eng. J., 2019, 362: 269-279.）, 根據(jù)天然骨微結(jié)構(gòu)的特點和骨重塑的需求，結(jié)合3D打印和熱致相分離技術(shù)，構(gòu)建了一種具有微通道網(wǎng)絡和微/納纖維結(jié)構(gòu)的生物活性支架（DBM/GP）。通過3D打印的犧牲性蔗糖模板，制備了具有通道結(jié)構(gòu)的聚己內(nèi)酯（PCL）框架。該PCL框架具有尺寸可定制性、互連的微通道和可滲透的聚合物壁，允許溶液的流動和物質(zhì)的交換（圖1）。進而，通過熱致相分離技術(shù)在PCL框架中構(gòu)建了明膠-硅納米纖維網(wǎng)絡，使其具有良好的細胞附著、增殖和遷移的微環(huán)境。為了賦予支架的成骨、成血管活性，利用介孔硅納米粒子（MSNs）分別裝載骨形成肽-1（BFP）和成血管藥物二甲基草酰甘氨酸（DMOG），并使載BFP納米粒子嵌入明膠-硅納米纖維網(wǎng)絡、載DMOG納米粒子錨定在支架表面，實現(xiàn)DMOG和BFP差異的空間分布和順序釋放特性（圖2）。體外細胞實驗表明，DBM/GP支架可以通過刺激人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVECs）的遷移、管狀結(jié)構(gòu)的形成和血管生成相關(guān)基因/蛋白的表達（HIF-1α、e-NOS、KDR和VEGF）來促進血管的生成，并通過上調(diào)骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）相關(guān)成骨基因的表達（Runx2、Col Ⅰ、OPN和OCN）和促進礦物基質(zhì)形成來增強骨的生成（圖3）。另外，DBM/GP支架能夠通過激活PI3K/Akt/HIF-1α通路促進BMSCs的成血管因子表達。皮下埋植模型結(jié)果顯示，DBM/GP支架顯著增強血管網(wǎng)絡的形成。此外，大鼠顱骨缺損模型證實，DBM/GP支架表現(xiàn)出具有更好的骨修復效果。綜上所述，本研究通過仿生骨微結(jié)構(gòu)和釋放生物活性因子的結(jié)合，構(gòu)建了一種具有較好骨修復性能的支架材料，同時該支架的構(gòu)建策略對于其他血管化組織的再生修復具有一定的借鑒意義。


 

圖1 DBM/GP支架的制備流程圖及其生物功能示意圖


 

圖2體外藥物釋放與生物相容性表征

 

圖3 體外成血管和成骨性能分析


 

圖4 體內(nèi)血管化和骨再生性能評價


  該工作以“Bone Microenvironment-Mimetic Scaffolds with Hierarchical Microstructure for Enhanced Vascularization and Bone Regeneration”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上，論文的通訊作者為東華大學何創(chuàng)龍教授和周小軍博士，第一作者為東華大學碩士研究生哈玉杰和上海市第一人民醫(yī)院馬小軍副主任醫(yī)師。該工作得到國家自然科學基金、上海市自然科學基金等項目的資助。

 

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202200011

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（責任編輯：xu）
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