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南大學(xué)羅丙紅教授團(tuán)隊(duì)《Compos. Part B-Eng.》：黑磷納米片協(xié)同光熱效應(yīng)促細(xì)胞礦化和骨再生
2024-03-12  來(lái)源：高分子科技

  天然骨是一種高度礦化的有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合材料，通過(guò)液晶膠原纖維網(wǎng)絡(luò)這一各向異性有機(jī)模板調(diào)控鈣磷礦物的沉積和礦化而形成。然而，設(shè)計(jì)具有各向異性以及足夠可用成核位點(diǎn)的有機(jī)模板來(lái)引導(dǎo)礦化和促成骨仍然是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。近日，暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院羅丙紅教授團(tuán)隊(duì)以各向異性液晶水凝膠為基質(zhì)，引入LDH@BP作為磷酸鹽礦化成核位點(diǎn)和光熱劑，構(gòu)建了一類基于液晶相、磷酸鹽礦化成核位點(diǎn)以及溫和熱效應(yīng)協(xié)同促進(jìn)細(xì)胞礦化和骨再生的復(fù)合水凝膠骨修復(fù)材料（圖1）。


圖1 復(fù)合水凝膠骨修復(fù)材料的設(shè)計(jì)思路與成骨活性


  該團(tuán)隊(duì)首先制備了一種液晶水凝膠基質(zhì)（LCgel），然后在水凝膠基質(zhì)中引入層狀雙氫氧化物（LDH）包載的黑磷納米片（BP）(LDH@BP)，制備了一種全新的復(fù)合水凝膠（LCgel/LDH@BP）。其中，BP在生理環(huán)境下氧化降解產(chǎn)生的磷酸根陰離子可作為礦化成核位點(diǎn)，且在近紅外光（NIR）照射下產(chǎn)生溫和熱效應(yīng)促進(jìn)細(xì)胞礦化，而且，該研究首次利用具有良好生物活性的LDH負(fù)載BP，解決BP光熱穩(wěn)定性差的問(wèn)題（圖2）。該復(fù)合水凝膠不僅提供了一種具有液晶相各向異性的礦化有機(jī)模板，而且具有NIR響應(yīng)性P和Mg2+釋放特性，以及40~42 ℃的光熱穩(wěn)定性（圖3）。 


圖2 BP和LDH@BP的制備與理化性能 


圖3 LCgel/LDH@BP的制備與理化性能

  體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，LCgel/LDH@BP-NIR可上調(diào)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSC）的堿性磷酸酶活性、礦化鈣結(jié)節(jié)水平以及成骨基因（CoL-I, OCN, Runx2）表達(dá)（圖4）。進(jìn)一步探究LCgel/LDH@BP-NIR誘導(dǎo)成骨活性的分子機(jī)制，結(jié)果表明，LCgel/LDH@BP-NIR中BP介導(dǎo)的溫和熱效應(yīng)可激活細(xì)胞的熱休克反應(yīng)，有效上調(diào)細(xì)胞的HSP70，以及其下游的調(diào)控因子ERK2和β-catenin的表達(dá)，并基于ERK-Wnt/β-catenin信號(hào)通路促進(jìn)細(xì)胞礦化及其介導(dǎo)的骨再生（圖5）。 


圖4 復(fù)合水凝膠體外促成骨分化研究 


圖5 復(fù)合水凝膠的成骨機(jī)制研究

  動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，LCgel/LDH@BP-NIR周圍新生成的礦化骨組織面積明顯增加，且礦化骨組織分布致密、排列良好（圖6）；LCgel/LDH@BP-NIR表現(xiàn)出上調(diào)的CoL-I和OCN陽(yáng)性表達(dá)，再次表明其優(yōu)異的成骨活性（圖7）。 


圖6 液晶水凝膠的體內(nèi)成骨活性


 圖7體內(nèi)免疫組化分析


  相關(guān)工作以“Abundant Nucleation Sites-Available Liquid Crystal Hydrogel Mimics Bone ECM Mineralization to Boost Osteogenesis”為題發(fā)表在 Composites Part B上（影響因子13.1）。暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院羅丙紅教授為論文唯一通訊作者，化學(xué)與材料學(xué)院2021級(jí)博士生李琳為論文第一作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、省自然基金面上項(xiàng)目和省科技計(jì)劃項(xiàng)目等的大力支持。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359836824001513

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（責(zé)任編輯：xu）
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