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東華大學(xué)何創(chuàng)龍教授團(tuán)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(xì)菌性感染會降低成骨細(xì)胞的粘附能力和成骨性能，將導(dǎo)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(xì)胞，而血管生成和成骨的耦聯(lián)顯著促進(jìn)缺損骨組織的再生修復(fù)。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(xì)胞數(shù)量可以進(jìn)一步促進(jìn)骨修復(fù)。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(jìn)成骨-成血管的耦聯(lián)和免疫調(diào)節(jié)活性促進(jìn)巨噬細(xì)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(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。


  近期，東華大學(xué)何創(chuàng)龍教授團(tuán)隊利用3D打印技術(shù)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(dǎo)”策略的多功能生物活性骨修復(fù)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(gòu)建了表面負(fù)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(fù)合支架（SLIT3/SrHA@PCH）。通過SLIT3蛋白和SrHA的差異分布設(shè)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(dǎo)。羧甲基殼聚糖和超支化聚賴氨酸的聚電解質(zhì)涂層使復(fù)合支架具有可定制的抗菌性能（圖2），同時為蛋白的高效負(fù)載提供了吸附層，并且為細(xì)胞附著、增殖和遷移提供了適合的微環(huán)境。體外細(xì)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(xì)胞（HUVECs）的遷移和管狀化，并上調(diào)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）成骨分化相關(guān)基因的表達(dá)和促進(jìn)礦物基質(zhì)的生成。此外，SLIT3/SrHA@PCH支架能夠誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞的M2型極化，從而間接促進(jìn)HUVECs的遷移、管狀化和血管生成相關(guān)基因的表達(dá)以及增強BMSCs成骨分化相關(guān)基因的表達(dá)（圖3和圖4）。動物實驗結(jié)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(jìn)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(fù)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(fù)合支架的物理表征、抗菌性能與藥物釋放行為


圖3 復(fù)合支架免疫調(diào)節(jié)的體外成血管性能評價


圖4 復(fù)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(fù)合支架的體內(nèi)免疫調(diào)節(jié)性能評價


圖6 復(fù)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(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院何創(chuàng)龍教授、周小軍副研究員和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)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(xué)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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