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東華大學何創(chuàng)龍教授團隊 Chem. Eng. J.:抗菌生物活性支架發(fā)揮本征刺激與免疫調(diào)節(jié)活性共同促進血管化骨再生
2024-11-18  來源:高分子科技

  骨組織工程支架除了合適的結構支撐,還需要擁有一些重要的生物功能,諸如抗菌性能、良好的血管生成、成骨和骨整合能力。細菌性感染會降低成骨細胞的粘附能力和成骨性能,將導致骨移植失敗。另外,骨支架中的血管化能夠為成骨過程提供營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣輸送以及功能細胞,而血管生成和成骨的耦聯(lián)顯著促進缺損骨組織的再生修復。此外,免疫調(diào)節(jié)途徑涉及骨組織再生的整個過程,通過增加M2型巨噬細胞數(shù)量可以進一步促進骨修復。因此,根據(jù)骨再生的生理過程,開發(fā)一種抗菌的生物適配性支架,通過釋放生物活性因子兼顧本征刺激促進成骨-成血管的耦聯(lián)和免疫調(diào)節(jié)活性促進巨噬細胞M2型極化來共同增強血管化骨再生效果,有望提高臨床骨修復領域的應用潛力。


  近期,東華大學何創(chuàng)龍教授團隊利用3D打印技術和層層自組裝的表面修飾方法開發(fā)了一種基于“本征刺激和免疫調(diào)節(jié)誘導”策略的多功能生物活性骨修復支架(圖1)。通過在3D打印聚己內(nèi)酯(PCL)支架表面生成聚電解質(zhì)涂層(羧甲基殼聚糖和超支化聚賴氨酸),成功構建了表面負載SLIT3蛋白和內(nèi)部嵌入摻鍶羥基磷灰石(SrHA)顆粒的生物活性復合支架(SLIT3/SrHA@PCH)。通過SLIT3蛋白和SrHA的差異分布設計,實現(xiàn)了SLIT3蛋白和鍶離子的按需釋放,即SLIT3蛋白釋放較快,而鍶離子呈現(xiàn)良好的持續(xù)釋放模式(圖2),利于早期的血管化和長效的成骨誘導。羧甲基殼聚糖和超支化聚賴氨酸的聚電解質(zhì)涂層使復合支架具有可定制的抗菌性能(圖2),同時為蛋白的高效負載提供了吸附層,并且為細胞附著、增殖和遷移提供了適合的微環(huán)境。體外細胞實驗表明,SLIT3/SrHA@PCH支架釋放的SLIT3蛋白和鍶離子能夠自身刺激人臍靜脈內(nèi)皮細胞(HUVECs)的遷移和管狀化,并上調(diào)骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs)成骨分化相關基因的表達和促進礦物基質(zhì)的生成。此外,SLIT3/SrHA@PCH支架能夠誘導巨噬細胞的M2型極化,從而間接促進HUVECs的遷移、管狀化和血管生成相關基因的表達以及增強BMSCs成骨分化相關基因的表達(圖3和圖4)。動物實驗結果表明,植入的SLIT3/SrHA@PCH支架可通過免疫調(diào)節(jié)創(chuàng)造有益的再生微環(huán)境,并通過增強H型血管形成促進缺損處的骨再生(圖5和圖6)。因此,本研究利用本征刺激和免疫調(diào)節(jié)活性的協(xié)同作用增強了支架的成骨性能,該策略在生物適配性骨修復材料的開發(fā)方面具有重要的參考價值。


圖1 SLIT3/SrHA@PCH支架的制備及其生物功能示意圖


圖2 復合支架的物理表征、抗菌性能與藥物釋放行為


圖3 復合支架免疫調(diào)節(jié)的體外成血管性能評價


圖4 復合支架免疫調(diào)節(jié)與本征刺激的體外成骨性能評價


圖5 復合支架的體內(nèi)免疫調(diào)節(jié)性能評價


圖6 復合支架的體內(nèi)成血管與成骨性能評價


  該研究以“Antibacterial bioadaptive scaffold promotes vascularized bone regeneration by synergistical action of intrinsic stimulation and immunomodulatory activity”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》期刊。東華大學生物與醫(yī)學工程學院何創(chuàng)龍教授、周小軍副研究員和上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院骨科李濤副研究員為通訊作者,碩士研究生錢昱含為第一作者。該工作得到國家自然科學基金委、上海市科委等項目的資助。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157682

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(責任編輯:xu)
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