《Research》上海交大苏佳灿：通过调节微环境实现骨重建的智能水凝胶

★ 前言 ★

2023年2月16日，上海交通大学医学院附属新华医院骨科苏佳灿教授团队在Research上发表题为“Smart Hydrogels for Bone Reconstruction via Modulating the Microenvironment”的研究文章，在本次研究中，研究人员突出了智能水凝胶的优势，并对其材料、凝胶化方法和性能进行了总结，重点关注其如何调控微环境以实现骨再生。

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背景介绍

随着寿命的延长和全球老龄化的趋势，创伤、感染、恶性肿瘤和骨质疏松性骨折导致的骨缺损普遍存在。血供、年龄和基础疾病，如骨质疏松和糖尿病，是影响骨再生效果的变量。在所有临床可用的移植物中，自体骨移植是治疗骨缺损的金标准。然而，供体部位的有限供应、不适和发病率，以及伤口感染的风险限制了它们的使用。同种异体移植物可以克服这些问题，但仍存在一些挑战，包括免疫排斥、伦理争议、骨整合不理想、疾病传播等。因此，组织工程已成为骨组织重建的一种有吸引力的策略。

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图文解析

图1

要点1：

研究人员关注通过使用智能水凝胶调节骨微环境来引导骨再生。最后，研究人员讨论了该领域当前面临的挑战和未来的展望。

图2

要点2：

A.BMP-2连接的水凝胶在邻近细胞分泌的MMP的作用下发生降解，导致BMP-2的触发释放。B.巯基处理的DNA链与乙烯基砜功能化的PEG相互作用，形成杂化的DNA聚合物。然后将杂化的DNA聚合物与MMP-9适体连接子交联生成智能水凝胶，其中骨微环境中的MMP-9识别并降解水凝胶以释放包裹的外泌体.C-D.外泌体的释放显著增加Runx2和CD31以及miRNAs(miR-126-5p和miR-150-5p)的表达，从而促进骨再生微环境中的血管生成和成骨。

图3

要点3：

A.这些活性氧基团（ROS）响应性水凝胶清除ROS，缓解炎症，抑制破骨细胞生成，是骨组织工程的理想材料，特别是用于治疗骨质疏松症。例如，Chen等开发了一种多功能平台，用于清除ROS和指导骨质疏松性骨缺损的免疫反应。B.在切除卵巢(OVX)大鼠中，骨缺损中的ROS水平显著高于健康组织。ROS响应性水凝胶降低了骨缺损中的ROS水平，以缓解再生微环境。C.此外，磷酸钙微球持续释放FAPi以控制免疫反应。复合水凝胶提高了M2型巨噬细胞的比例，降低了M1型巨噬细胞的比例。D.复合水凝胶清除ROS并释放FAPi来调节OVX大鼠的微环境并促进骨形成。因此，ROS响应性水凝胶通过靶向和调节微环境为骨质疏松性骨缺损的治疗提供了一种有前途的策略。然而，在缺陷部位，ROS的产生随时间而变化，这可能会影响ROS响应水凝胶的持续响应性能。因此，可以设计双重和多重刺激响应性水凝胶来提供稳定的响应。

图4

要点4：

A.由于亚胺键的产生，Schiff反应常见于pH响应性水凝胶中。通过这种方式，水凝胶可以在温和的条件下形成。为了提高抗菌效果和促进骨再生，制备了一种含有BMP-2信号激活剂苯丙氨醇和硫酸庆大霉素(GS)的pH敏感水凝胶。B.GelMA的胺基与氧化海藻酸钠(OSA)的醛基结合形成Schiff-base连接，形成pH响应性水凝胶的主要网络。C.由于GelMA的光敏部分，在紫外光照射下形成次级网络，以增强机械性能。由于pH响应性键的存在，在酸性条件下，降解和释放速率加快。D.为了达到合适的释放速率，在与水凝胶混合之前，将非那米尔装载到介孔二氧化硅纳米粒子中，而在水凝胶植入后不久，GS直接装载到水凝胶中释放。

图5

要点5：

A-B.研究人员设计了一种具有外泌体和融合肽的可注射温敏水凝胶。小肠粘膜下层(SIS)胶原分子在37℃下自组装成水凝胶。C-D.3-(3,4-二羟基苯基)丙酸(CA)的添加改善了其力学特性。为了有效地负载外泌体，他们将水凝胶浸没在含有外泌体和融合肽的溶液中。E.水凝胶释放的外泌体通过激活磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信号通路，增加成骨相关基因(RUNX2、ALP和OPN)的表达，加速骨髓间充质干细胞(BMSC)在再生微环境中的发育，从而促进骨形成。

图6

要点6：

A.最近研究表明，mRNA-26(miR-26)是一种很有前途的促进成骨的调节因子，但其递送和释放系统仍然限制了其应用。针对这一问题，研究人员制备了一种可注射的负载miR-26的紫外光敏感水凝胶。B-D.研究人员合成了含有o-NB基团的光敏基团作为可光切割的连接器，通过Michael加成反应将miR-26与PEG基水凝胶连接。在紫外光照射下，miR-26持续释放，释放速率取决于照射时间和强度。E-F.在光照条件下，o-nitrobester结构裂解为羧酸和邻亚硝基苯甲醛，光敏基团断裂。此外，成骨相关蛋白Runx2和OCN表达上调，GSK3蛋白表达下调。植入后，释放外泌体，通过10min紫外线照射骨缺损部位，增强人间充质干细胞(hMSCs)的成骨能力。因此，光刺激响应水凝胶以时空可控的方式释放miRNA来调节骨再生微环境。

图7

要点7：

A.为了控制PTH的释放，研究人员开发了一种装载PTH的磷酸钙纳米颗粒配位的聚水凝胶用于NIR刺激的释放，以治疗骨质疏松性骨缺损。B.采用油包水乳液法制备了由多聚腺嘌呤核苷酸、吲哚菁绿(ICG)和PTH组成的聚合物微球，由于ICG的光热效应，在近红外光照射下，聚合物微球分解并释放PTH。这种智能水凝胶在45℃的温度下发生了溶胶-凝胶相转变。C.在近红外光照射下，该水凝胶表现出优异的体外光热性能。D-E.将PTH维持在特定范围内的双模组在OVX大鼠中表现出最佳的成骨效能，这可能与再生微环境中成骨细胞和破骨细胞活性之间的平衡有关。

图8

要点8：

A-B.研究人员还制备了MF响应性水凝胶，通过调节免疫微环境来增强骨修复。C.合成后，使用与游离氨基反应的Genipin将超顺磁性纳米颗粒嫁接到胶原纤维上。水凝胶在37℃下3h形成。D.水凝胶超顺磁的能力得到了肯定，然后随着磁性纳米粒子浓度的增加而提高。E-F.利用远程调度的方法，当巨噬细胞极化与组织再生过程精确匹配时，最终实现了最佳的体内免疫调节骨愈合。

图9

要点9：

A.研究人员构建了一种基于丝素蛋白包裹MXene纳米片用于骨愈合的导电水凝胶，该水凝胶包含由HRP和H2O2交联的初级网络和具有β-折叠结构的次级物理网络。D-F.在该水凝胶中，MXene纳米片不仅提供了导电性，而且由于MXene和再生丝素蛋白之间的氢键作用，促进了水凝胶的形成。G-H.这种MXene和再生丝素蛋白水凝胶还具有压阻式压力传感器的功能，可以跟踪电生理微环境。在外源性ES的作用下，导电水凝胶增强成骨，增加M2型巨噬细胞极化，促进血管生成。

图10

要点10：

A.研究人员开发了一种由GelMA和负载BMP-2相关肽的中空MnO2纳米颗粒(hMNPs)组成的pH和ROS响应性水凝胶，该复合水凝胶响应酸性和富含ROS的骨微环境，按需释放氧气和多肽。B-C.同时，hMNPs将H2O2分解为H2O和氧气。这有助于通过缓解再生微环境来增加成骨。D-E.抗氧化基因，如沉默信息调节因子1型，超氧化物歧化酶2和过氧化氢酶，也被增强以中和氧化损伤。注射水凝胶后，ROS在骨缺损部位被清除。F.随着微环境的调节，新骨形成和骨成熟加速。因此，复合水凝胶不仅可以按需释放BMP-2相关肽促进成骨能力，还可以通过清除ROS调节局部再生微环境，保护BMSCs免受氧化损伤。

图11

要点11：

A.为了促进糖尿病骨再生，研究人员开发了一种由共价交联的PVA和明胶纳米颗粒的胶体网络组成的多重刺激响应性水凝胶。B.水凝胶植入后，免疫细胞功能和线粒体功能相关通路在骨免疫调节中起着至关重要的作用。C.这种智能水凝胶响应3种刺激，并实现精确的药物递送，以确保抗氧化稳态和匹配免疫-骨进展，从而促进糖尿病骨修复。因此，刺激动态微环境的多重刺激响应性水凝胶为治疗病理性骨缺损提供了新的策略。

全文小结

综上所述，在不同的刺激下，水凝胶及其产物的行为可以改变，包括降解、凝胶化、变形、ROS清除、纳米颗粒转化、货物释放和氧气产生。这些先进的设计有助于调节再生和免疫微环境。再生和免疫微环境在骨再生中起着至关重要的作用，而聚焦于微环境改变以加速骨再生的智能水凝胶是一种很有前途的未来策略。

参考文献：Chen Weikai Zhang Hao Zhou Qirong Zhou Fengjin Zhang Qin Su Jiacan . Smart Hydrogels for Bone Reconstruction via Modulating the Microenvironment. Research. 2023:6;0089.