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  嚴(yán)重的創(chuàng)傷、先天性畸形或腫瘤切除導(dǎo)致的臨界尺寸骨缺損修復(fù)是臨床的一大難題。盡管當(dāng)前骨組織工程支架（BTES）取得了巨大進(jìn)步，但其治療效果仍然有限。大多數(shù)BTES側(cè)重于刺激干細(xì)胞活性和提供成骨功能，忽略了動(dòng)態(tài)改善骨缺損微環(huán)境的需要。在臨界骨缺損微環(huán)境中，出血、細(xì)菌感染、炎癥反應(yīng)和成骨受損等級(jí)聯(lián)信號(hào)在不同程度上損害了骨再生。這要求BTES具有精準(zhǔn)的調(diào)控邏輯以順序響應(yīng)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的病理線索，執(zhí)行相應(yīng)的治療策略，級(jí)聯(lián)調(diào)控骨再生過程。然而，現(xiàn)有的BTES都不滿足臨界尺寸骨缺損的級(jí)聯(lián)再生需求。

  鑒于此，浙江省人民醫(yī)院孫燚團(tuán)隊(duì)與福州大學(xué)張進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)合作，把BMP-2衍生多肽（BP）與蜂窩二氧化錳納米酶（BHM）偶聯(lián)，并摻入由L-精氨酸修飾的甲基丙烯酸羧甲基殼聚糖（CMAA）和富含酚羥基的沒食子酸接枝的甲基丙烯酸明膠（GMAG）中，制備得到多功能一體化水凝膠（BHM@CG）。在BHM@CG水凝膠植入缺損部位后，首先通過多酚基團(tuán)與骨組織中胺鍵、酰胺和硫醇之間的強(qiáng)粘附實(shí)現(xiàn)快速的組織整合與止血。隨后，羧甲基殼聚糖陽離子氨基的質(zhì)子化效應(yīng)、以及沒食子酸的酚羥基氫鍵和疏水作用協(xié)同高效殺菌。同時(shí)，BHM納米酶和多酚基團(tuán)有效消除活性氧（ROS），促進(jìn)巨噬細(xì)胞由M1向M2極化，實(shí)現(xiàn)了炎癥調(diào)控。最后，BHM@CG水凝膠中沒食子酸、氧氣（O₂）、精氨酸、BP和錳離子（Mn²⁺）的持續(xù)釋放促進(jìn)了細(xì)胞遷移、血管生成和成骨。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，第8周時(shí)，BHM@CG水凝膠在大鼠臨界尺寸顱骨缺損模型中實(shí)現(xiàn)了近40%的新骨形成率。值得注意的是，該水凝膠在感染的臨界尺寸顱骨缺損模型中也展現(xiàn)出有效的抗菌和骨再生能力�？傊�，該水凝膠可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)骨缺損微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)“快速止血?高效殺菌?消除炎癥?加速成骨”四階段級(jí)聯(lián)調(diào)控骨再生，為臨界尺寸骨缺損修復(fù)提供了一種有前景的策略。

  該研究近期以“Bone Morphogenetic Protein-2?Derived Peptide?Conjugated Nanozyme-Integrated Photoenhanced Hybrid Hydrogel for Cascade-Regulated Bone Regeneration”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。

圖1 BHM@CG水凝膠具有快速止血、高效殺菌、消除炎癥和加速成骨能力，可動(dòng)態(tài)級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)大鼠臨界尺寸顱骨缺損模型中的骨再生。

【BHM納米酶的制備及物理性能表征】

  透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，BHM納米酶具有蜂窩狀球形結(jié)構(gòu)，且BP的負(fù)載未改變BHM納米酶的微觀形態(tài)（圖2A）。粒徑分析顯示BHM納米酶尺寸增加（圖2B）。Zeta電位分析表明BHM納米酶相比HM納米酶有所升高（圖2C）。進(jìn)一步地，傅里葉變換紅外光譜和X射線光電子能譜驗(yàn)證了BP的成功負(fù)載（圖2D，E）。如圖2F，G所示，HM和BHM納米酶在H₂O₂清除與O₂生成方面均表現(xiàn)出濃度依賴性。BHM納米酶的藥物負(fù)載率良好，接近50%（圖2H）。藥物釋放實(shí)驗(yàn)表明，在1 mM H₂O₂刺激下，BP釋放量達(dá)到61.2% ± 3.2%，與無H₂O₂刺激條件相比增加了2.9倍，表明BHM納米酶具有H₂O₂刺激響應(yīng)釋放特性（圖2I）。此外，與H₂O₂反應(yīng)后，BHM納米酶中的HM可進(jìn)一步分解為Mn²⁺（圖2J）。

圖2. BHM納米酶的物理性能表征。

【BHM@CG水凝膠的形貌與物理性能】

  研究人員對(duì)水凝膠的形貌與物理性能進(jìn)行了評(píng)估。四組水凝膠均在紫外光交聯(lián)下實(shí)現(xiàn)了原位形成，且BHM@CG水凝膠的凝膠化時(shí)間顯著短于CMAA水凝膠（圖3A，B）。SEM結(jié)果表明BHM@CG水凝膠的網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)緊密，具有厚孔壁的高度多孔結(jié)構(gòu)（圖3C）。通過流變學(xué)和壓縮測試對(duì)BHM@CG水凝膠的機(jī)械性能進(jìn)行了研究。流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明雙互穿網(wǎng)絡(luò)提升了CG和BHM@CG水凝膠的剛性（圖3E）。壓縮測試進(jìn)一步表明CG水凝膠的彈性模量顯著高于CMAA和GMAG水凝膠，而BHM納米酶的加入對(duì)BHM@CG水凝膠的彈性幾乎沒有影響（圖3F，G）。此外，研究人員在磷酸鹽緩沖溶液（PBS）或酶存在下評(píng)估了CG水凝膠的體外降解動(dòng)力學(xué)。CG中的聚合物，包括明膠和CMC，可以分別被內(nèi)源性酶如膠原酶和溶菌酶生物降解。CG水凝膠在PBS溶液中降解緩慢，而膠原酶或溶菌酶加速了降解過程（圖3H）。而對(duì)于溶脹測試，所有水凝膠可在12 h內(nèi)溶脹至平衡（圖3I）。

圖3. BHM@CG水凝膠的理化性能表征。

【BHM@CG水凝膠在大鼠顱骨臨界骨缺損中的成骨性能評(píng)估】

  研究人員建立了大鼠臨界尺寸顱骨缺損模型進(jìn)一步評(píng)估其在體內(nèi)的成骨效果（圖4A）。如圖4B?D所示，通過微型計(jì)算機(jī)斷層掃描（micro-CT）重建新生骨的形態(tài)特征。在BHM組中，術(shù)后4周和8周觀察到的新生骨組織極少， CG組的成骨誘導(dǎo)能力優(yōu)于對(duì)照組和BHM組，相比之下，BHM@CG組在缺損區(qū)域周圍的新骨形成顯著增加，形成的骨橋幾乎完全覆蓋了缺損部位。值得注意的是，隨著修復(fù)時(shí)間的延長，BHM@CG組的促成骨能力越來越明顯。為了進(jìn)一步評(píng)估骨再生情況，進(jìn)行了蘇木精-伊紅染色和Masson三色染色（圖4E，F）。在對(duì)照組和BHM組中，纖維組織主要占據(jù)缺損部位，而新生骨組織極少。相比之下，水凝膠實(shí)驗(yàn)組表現(xiàn)出更明顯的新骨形成，其中BHM@CG組在術(shù)后4周和8周均表現(xiàn)出最顯著的成骨活性。

圖4. BHM@CG水凝膠在大鼠顱骨臨界骨缺損中的成骨性能評(píng)估。

  論文共同第一作者為浙江省人民醫(yī)院陳家鑫醫(yī)師、趙燁醫(yī)師，以及福州大學(xué)化工學(xué)院博士生阮任杰。通訊作者為浙江省人民醫(yī)院孫燚副主任醫(yī)師，福州大學(xué)化工學(xué)院張進(jìn)教授，以及浙江省人民醫(yī)院王吉研究員。

  該工作得到科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、中國科協(xié)青年人才托舉工程、國家自然科學(xué)基金、福建省自然科學(xué)基金杰青項(xiàng)目、浙江省自然科學(xué)基金、浙江省醫(yī)藥衛(wèi)生科技計(jì)劃、浙江省中醫(yī)藥科技計(jì)劃、浙江省教育廳科研項(xiàng)目、福建省雛鷹計(jì)劃青年拔尖人才項(xiàng)目、福建省泉州市高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃等基金的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c13690.