复旦大学AFM：快速凝胶、高粘附、磁性纳米复合水凝胶，用于修复不规则骨缺损

临界性骨缺损，特别是不规则形状的骨缺损，在没有进一步手术干预的情况下不能实现自发骨整合的缺损。修复这种骨缺损惯用的临床手段是自体骨移植，但是这种方法难找到契合度高的骨移植物因而受到了限制。与自体移植相比，异体移植解决了来源问题，但仍有局限性，如免疫排斥和感染传播风险。尽管各种生物材料已被开发出来用于骨再生，但由于涉及复杂的制备程序，以及缺乏形状适应能力、生理粘附性和强大的成骨生物活性，它们在修复不规则骨缺损方面的应用受到限制。

再生蚕丝纤维蛋白（RSF）是一种在临界性骨缺损修复领域十分有前景的材料。该材料是从蚕的蚕茧中提取，因此具有易获得性、良好的生物相容性和生物降解特性。这种材料已经在食品、生物医学和组织工程领域以水凝胶、膜和支架的形式得到广泛的应用。然而，传统的丝蛋白水凝胶制备程序复杂，耗时长，而且在固态界面和湿/动态生物环境中表现出粘性不足。为此，人们提出了许多方法，包括使用阴离子表面活性剂，如十二烷基硫酸钠， 用超声处理和调整温度或pH值等方法，以加速丝纤维蛋白水凝胶的凝胶化过程。此外，通过与其他材料的复合，如聚乙烯醇和化学改性，用于增强丝纤维素水凝胶的粘性，以满足不同的生物医学要求。

近期，复旦大学附属中山医院董健、江立波和李熙雷提出了一种基于金属-酚网络（MPN）增强的蚕丝纤维蛋白水凝胶。通过将再生蚕丝纤维蛋白，单宁酸和Fe3O4 纳米颗粒结合，在外部静电场的作用下，获得了一种易于快速制备的、形状适应性强的粘性水凝胶（ RSF/TA/Fe3O4 水凝胶），用于临界尺寸的骨缺损修复。生物信息学分析显示，Fe3O4 纳米颗粒和静电场对成骨作用的协同机制可能是通过激活环状单磷酸鸟苷（cGMP）/蛋白激酶G（PKG）/细胞外信号调节激酶（ERK）信号通路促进成骨细胞分化。该系统改善了体外和体内的成骨作用，并可能在未来作为一种潜在的生物粘合剂用于骨再生。这项研究为未来治疗（不规则）临界大小的骨缺损提供了一种有前景的生物材料，具有临床应用的潜力。该工作以题为“Precipitation-Based Silk Fibroin Fast Gelling, Highly Adhesive, and Magnetic Nanocomposite Hydrogel for Repair of Irregular Bone Defects”的文章发表的于Advanced Functional Materials上。

RSF/TA/Fe3O4 水凝胶的制备及基本表征

RSF/TA/ Fe3O4水凝胶是通过沉淀法迅速形成的，在使用前混合等体积的0.3g ml-1 TA和5wt.% RSF/Fe3O4溶液。凝胶化时间随着TA浓度的增加而减少，在TA浓度>0.2g ml-1时，凝胶化时间<1秒。RSF的酰胺基和TA的酚羟基之间的氢键，以及TA/ Fe3O4NPs MPN作为RSF之间相互作用的交联剂，在水凝胶空间网络的形成中发挥重要作用，使RSF/TA/ Fe3O4水凝胶在模拟生理条件下的骨缺损的新鲜猪小腿上，表现出形状适应性填充。为了研究RSF/TA/ Fe3O4水凝胶的结构，随后进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）。在所有的RSF/TA/ Fe3O4水凝胶中可以观察到FTIR吸收峰从1659 cm-1转移到1663 cm-1，这代表了RSF的β-片状构象。，RSF/TA/ Fe3O4粘合水凝胶的羟基峰随着Fe3O4 NPs含量的增加而向右移动，这可能是由于Fe3O4 NPs与TA的强相互作用。

RSF/TA/ Fe3O4水凝胶具有强粘结性，可以将200克的重物粘附在光滑的玻璃板上。此外，大鼠头骨在被人工折断成3块后也能被RSF/TA/ Fe3O4水凝胶粘住，这表明这种水凝胶作为生物粘合剂在骨工程中的应用潜力。为了进一步评估RSF/TA/Fe3O4水凝胶的粘附性，在体外进行了头骨和重量粘附试验的搭接剪切试验。RSF/TA/ Fe3O4水凝胶的搭接剪切强度随着Fe3O4 NPs含量的增加逐渐从54.41±2.41 KPa下降到26.13±4.32 KPa。这可能是由于采用了在粘合剂中TA和Fe3O4 NPs之间形成更多的金属-酚羟基配位键，这将减少酚羟基团与组织蛋白的相互作用。尽管添加Fe3O4 NPs以剂量依赖的方式降低了RSF/TA水凝胶的粘附力，但与市场购买的纤维蛋白胶（15.38±2.82 kPa）相比，RSF/TA/ Fe3O4水凝胶仍表现出良好的粘附能力。

RSF/TA/Fe3O4 水凝胶的生物相容性和骨修复应用

为了检查RSF/TA/ Fe3O4水凝胶是否具有细胞毒性，我们首先通过用不同的水凝胶提取物培养大鼠中提取的骨髓间充质干细胞（BMSCs）来进行细胞计数试剂盒-8（CCK-8）分。在第1天没有观察到明显的细胞毒性（P>0.05）。然而，RSF/TA/1.5% Fe3O4水凝胶组在第3天（p < 0.05）、第5天（p < 0.01）、第7天（p < 0.001）和第14天（p < 0.001）显示了明显的细胞增殖抑制。此外，随着Fe3O4 NP含量的增加，当RSF/TA/ Fe3O4水凝胶中的浓度超过1.5%时，细胞毒性更加明显。为了进一步证实这一结果，我们还进行了LIVE/DEAD染色，发现在第四天和第七天，对照组、RSF/TA、RSF/TA/0.5% Fe3O4和RSF/TA/1% Fe3O4组的大部分BMSCs都表现出绿色荧光，表明细胞增殖良好，生物相容性良好。

为了进一步展示RSF/TA/ Fe3O4水凝胶在体内修复临界大小的骨缺陷的能力，利用建立的临界大小的小腿骨缺陷大鼠模型作为验证实验。在手术后的4、8和12周，分别用微型计算机断层扫描（micro-CT）进行分析。在4周时，在静磁场（SMF）处理组中可以发现分布在缺损边缘的新形成的骨，而在非SMF处理组中没有观察到这种明显的骨形成。在8周和12周时，在SMF处理组中新形成的骨量明显多于在非SMF处理组。此外，SMF+RSF/TA/1%Fe3O4组随着时间的推移（4、8、12周），缺损周围的新骨形成程度更高，甚至在12周时出现了完整的骨桥，从而证明了RSF/TA/1%Fe3O4水凝胶和SMF在体内促进骨再生的良好能力。然后我们进行了定量的显微CT分析，包括估计骨体积分数（BV/TV）和骨矿物质密度（BMD）。在4、8和12周，SMF治疗组的BV/TV明显高于对照组。良好的骨再生可能不仅是由于RSF/TA/ Fe3O4水凝胶增强了区域SMF对BMSCs的作用，而且RSF/TA/ Fe3O4水凝胶的生物降解率与新骨形成率之间存在良好的匹配。

小结：该文报道了一种简便的策略，通过沉淀法制造了一种快速胶凝、形状适应、高粘性和磁性的纳米复合水凝胶。这是一种有前途的组织工程生物材料，有可能在未来促进临界尺寸不规则骨缺陷的修复。此外，成骨作用的基本机制是由于cGMP/PKG/ERK信号通路的激活，这也可以为Fe3O4 NPs与SMF结合促进成骨分化的协同作用提供更好的理解。

--纤维素推荐--

--测试服务--

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！