科研方向！治疗骨缺损的水凝胶材料

▷2023/10/24

同萃生材

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本期总结

1、本期包含针对骨缺损（颅骨缺损、胫骨缺损等）治疗的高分子凝胶材料结合型研究分享。

2、凝胶材料在骨缺损中的应用，一般会与干细胞及其他治疗物质协同。凝胶作为生物相容性材料，能够为干细胞提供粘附、支撑、缓释等载体功能，促进干细胞更好地存活和成骨分化。

3、不同刚度、机械强度、粘弹性的凝胶，在骨缺损治疗中也具有不同的应用优势，设计时考虑点较多，创新性也可以多挖掘。

推荐策略

1、杂化凝胶、双交联凝胶等具有更适合骨缺损治疗的机械强度。

2、模拟ECM性质的水凝胶能够更好的介导细胞间粘附，促进细胞生长和功能的发挥。

3、水凝胶作为一类载体，除了可以辅助干细胞的成骨分化外，本身还能进行功能基团接枝（抗菌肽、止血肽、抗炎肽等），更高效的发挥组合治疗作用。

文末总结及拓展知识点不可错过哦！

Bioactive Materials IF=18.9

混合明胶/氧化硫酸软骨素水凝胶负载生物活性玻璃纳米颗粒以增强其机械性能，矿化和成骨分化

Hybrid gelatin/oxidized chondroitin sulfate hydrogels incorporating bioactive glass nanoparticles with enhanced mechanical properties, mineralization, and osteogenic differentiation

本文开发了混合明胶（Gel）/氧化硫酸软骨素（OCS）的水凝胶，其中负载了介孔生物活性玻璃纳米粒子（MBGN），作为骨再生的生物活性填料应用。MBGN 的掺入增强了交联并加速了凝胶化进程，随着MBGNs添加浓度的增加，凝胶化时间缩短，并可以显着改善其机械性能，包括增强储能模量和抗压强度。混合 Gel-OCS/MBGN 水凝胶显着促进了大鼠骨髓间充质干细胞的体外增殖和成骨分化以及体内大鼠颅骨缺损的修复。

杂化交联水凝胶具有良好的力学性能和促成骨活性，且具有良好的降解性能，可作为可注射生物材料或组织工程支架用于骨再生/修复。

全文：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.09.012

Advanced Healthcare Materials IF=10.0

功能化丝素蛋白水凝胶促进骨髓间充质干细胞成骨作用用于骨缺损修复

Enhanced Osteogenesis of Bone Marrow-Derived Mesenchymal Stem Cells by a Functionalized Silk Fibroin Hydrogel for Bone Defect Repair

提取自蚕的丝素蛋白 (SF) 是一种很有前途的天然生物材料。本文通过分子自组装生成了含有SF(2.0%)和小肽凝胶剂(例如，NapFFRGD = 1.0 wt%)的生物功能水凝胶。在生理条件(pH = 7.4, 37°C)下，将NapFFRGD引入到SF中，可将其凝胶化阈值浓度降至2.0%，凝胶化时间降至20分钟，并使SF水凝胶具有细胞粘附基序(例如RGD)的功能化，从而显着改善其凝胶化性能。除了介导细胞粘附外，与空白SF凝胶(2.0%，pH = 7.4)相比，SF-RGD凝胶中的RGD配体促进了凝胶基质内包裹的骨髓源间充质干细胞的成骨分化，导致小鼠颅骨缺损模型中的骨再生。这项工作表明，SF可以很容易地与生物活性肽凝胶结合，以提供具有良好微环境的生物活性水凝胶，用于组织再生应用。

凝胶特性：水凝胶的功能化细胞粘附基序（RGD）促进细胞-整合素相互作用从而介导细胞粘附，具有诱导 MSC 信号转导和成骨分化的巨大潜力，还能够模拟 ECM 进行细胞粘附和生长。

全文： https://doi.org/10.1002/adhm.201801043

Theranostics IF=12.4

负载间充质干细胞负载的热敏羟丙基甲壳素水凝胶与三维打印的聚（ε-己内酯）/纳米羟基磷灰石支架相结合，通过成骨，血管生成和免疫调节修复骨缺损。

Mesenchymal stem cell-loaded thermosensitive hydroxypropyl chitin hydrogel combined with a three-dimensional-printed poly(ε-caprolactone) /nano-hydroxyapatite scaffold to repair bone defects via osteogenesis, angiogenesis and immunomodulation

甲壳素衍生的水凝胶由于其高细胞相容性而常用于骨再生材料。本文为了评估新合成的热敏性羟丙基甲壳素水凝胶（HPCH）的骨诱导性并增强其机械性能，将负载间充质干细胞（MSC）的HPCH注入3D打印的聚（ε-己内酯）（PCL）/纳米羟基磷灰石（nHA）支架中，形成混合支架。结果表明混合支架表现出显著改善的机械性能和高细胞活力。当 MSC 被封装在 HPCH 中时，通过软骨内骨化适当促进骨分化，能够调节HPCH的炎症反应以及巨噬细胞M2 激活。颅骨缺损的原位评估也证实，装载 MSC 的 HPCH + PCL/nHA 组的修复效果最佳。

凝胶特性：将水凝胶注入纳米支架中制成混合支架，以改善其机械性能和促成骨分化能力。

全文：https://www.thno.org/v10p0725.htm

# 04

Acta Biomaterialia IF=9.7

海藻酸盐微凝胶连续微流控封装单个间充质干细胞作为可注射填充剂用于骨再生

Continuous microfluidic encapsulation of single mesenchymal stem cells using alginate microgels as injectable fillers for bone regeneration

本文开发了一种基于微流控的方法，使用藻酸盐凝胶微球在单细胞水平上连续封装间充质干细胞（MSC）。这种微流控技术实现可扩展的细胞封装，同时保留负载细胞的活力和功能。可观察到单细胞水平上封装在海藻酸钙凝胶微球中的间充质干细胞显示出显着增强的成骨作用和加速的微凝胶矿化。此外，在大鼠胫骨缺损模型中，表现出显着增强的骨形成效果。

凝胶特性：这些微凝胶可以通过为封装的间充质干细胞提供受控的成骨微环境来促进骨再生，以微创递送方式治疗骨缺损。

全文：https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.05.024

# 05

Composites Part B: Engineering IF=13.1

具有动态基质硬化能力的明胶/海藻酸钠复合水凝胶用于骨再生

Gelatin/sodium alginate composite hydrogel with dynamic matrix stiffening ability for bone regeneration

动态基质硬化如何影响间充质干细胞（MSC）分化和骨形成仍不清楚。本研究制备了静态和动态硬化水凝胶，以评价间充质干细胞的体外活性和成骨分化能力以及体内颅骨缺损的修复能力。结果发现，动态水凝胶（Dynamic）可在7天内从14.63±1.18kPa不间断硬化至68.37±4.99kPa。静态水凝胶的刚度为 10.20 ± 2.39 kPa（低）和 66.30 ± 4.40 kPa（高）。结果表明，与低刚度水凝胶和高刚度水凝胶相比，动态水凝胶促进了MSC的成骨分化。在颅骨缺损模型中，治疗组可以增强骨再生并促进血管生成。动态硬化水凝胶可以通过激活细胞外基质重塑来促进骨形成和血管生成，是一种潜在的骨缺损修复再生复合材料。

凝胶特性：本研究提出了一种紫外光交联的GelMA/SA水凝胶杂化系统，以暂时调节凝胶速度，从而使基质的刚度缓慢而动态地增加，能够显著促进MSCs的成骨诱导能力。

全文：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110162

# 06

Gels IF=4.6

间充质干细胞-水凝胶微球系统用于颅骨缺损骨再生

Mesenchymal Stem Cells–Hydrogel Microspheres System for Bone Regeneration in Calvarial Defects

本文制备了水凝胶微球（HM）作为骨髓间充质干细胞（BMSC）粘附和增殖的载体。HMs被证明对干细胞具有生物相容性且无细胞毒性，能够促进干细胞的成骨分化。在体内，通过将BMSC/HM系统植入大鼠颅骨缺损处，8周后观察到诱导了优异的骨再生。

凝胶特性：在HMs表面培养骨髓间充质干细胞（BMSCs），解决了传统水凝胶与细胞间营养交换不良和机械强度不足的缺点，同时，明胶能够促进细胞粘附。

全文：https://doi.org/10.3390/gels8050275

课题设计TIPs

利用水凝胶的材料特性，如凝胶的刚度、机械强度以及介导细胞间黏附等能力，提高细胞活力与分化能力，促进成骨分化，增强骨再生。在治疗骨缺损中，选择水凝胶材料，能够显著改变干细胞的应答方式，更好促进干细胞向成骨分化，可以获得更好的修复效果。

总结拓展——水凝胶的生物力学：

水凝胶的生物力学指其基质硬度、韧性，大变形、黏弹性、拓扑结构和内部孔隙结构与结构层次的力学响应，这些都能够对细胞的生物学功能产生深远的影响。

▷不同的基质硬度对于MSCs 分化方向的主导作用：①类似于大脑的基质硬度（~1 kPa） 能够诱导MSCs向神经样细胞分化；②类似于肌肉的基质硬度（~10 kPa）能够诱导 MSCs向肌肉样细胞分化；③类似于基底硬度可以对细胞生物学行为产生影响。

▷ 凝胶内如负载细胞，细胞所黏附表面的拓扑结构也可通过黏着斑-细胞骨架系统将胞外机械信号转化为胞内化学信号；黏弹性是天然组织及胞外基质固有属性，处于黏弹性材料中的细胞能够通过在伸展、运动和分裂等过程中产生的收缩力让胞外基质变形，从而获得细胞生长的空间以及影响细胞的分化。

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