《Bioact. Mater.》上交大仁济医院陆尔奕、王鹏飞：加速血管化骨再生的细胞外基质模拟复合水凝胶

由肿瘤、创伤或其他骨疾病而引起的骨缺损可对机体造成严重的损伤及功能障碍。虽然组织工程生物材料在骨愈合治疗方面取得了重大进展，但其治疗效果并不理想。骨愈合的条件需要血管生成与骨生成协同发生。天然骨细胞外基质（ECM）能吸引成骨细胞，促进细胞向骨缺损区转移；由于其具有粘弹性，天然骨ECM是动态的，提供机械信号促进细胞粘附、增殖和成骨分化。同时，天然骨ECM可以储存细胞分泌的生长因子，并不断释放促血管生长因子，支持骨形成。水凝胶由于其独特的亲水性和可塑性，可以很容易地植入不同形式的骨缺损，其中，多组分复合水凝胶被认为能更好地模拟复杂微环境中骨缺损的天然骨ECM特征。因此，设计出一种新型复合材料，能够有效模拟天然骨ECM的功能性水凝胶以加速骨缺损区愈合是一项重大的挑战。寻找合适且稳定的机械骨干、能够促进血管因子和成骨细胞的持续释放为治疗骨缺损提供了一个新思路。

上海交通大学医学院附属仁济医院陆尔奕、王鹏飞团队构建了一种双组分复合水凝胶，包括明胶甲基丙烯酰（GelMA）和脱氧核糖核酸（DNA）的互穿聚合物网络。GelMA优异的生物相容性、良好的力学特性和适宜的可降解性，在骨修复初期起到机械支撑的作用，后期随着新组织的生长逐渐降解。利用DNA碱基配对形成丰富氢键进一步增强GelMA水凝胶的力学性能，可逆氢键模拟ECM动态特征以调节干细胞分化。该复合水凝胶能够修饰功能适配体（Apt19S和AptV），具有合适的机械强度、富集相关成骨细胞、增强成骨分化能力、能够可持续释放促血管化因子；此外，还具有生物稳定性以及一定的应力松弛特性。相关研究内容以“ECM-mimicking composite hydrogel for accelerated vascularized bone regeneration”为题发表在24年的《Bioactive Materials》上。

【制备工艺】

1.具有适配体的DNA主链合成：分别修饰两种适配体（Apt19S和AptV），在磷酸盐缓冲溶液（PBS）中，以100:1的浓度比，将主链（TS1-h1和TS2-h2）与相应适配体（Apt19S-h1和AptV-h2）混合，形成TS1-Apt19S和TS2-AptV。采用10%天然聚丙烯酰胺凝胶电泳实验进行表征。

2.DSV水凝胶制备：将TS1-Apt19S和TS2-AptV按1:1比例杂交，在1-2 min内组装成DNA/Apt19S/AptV（DSV）水凝胶。

3.GDSV水凝胶的制备：将TS1-Apt19S和TS2-AptV水溶液以1:1:2的体积比加入到含有苯基- 2,4,6 -三甲基苯甲酰膦酸锂的GelMA溶液（10%w/v）中。随后，将预凝胶在紫外光（405 nm）下光聚合1 min，含适配体的DNA和GelMA的最终浓度分别为1.5%和5%。

4.GDSV-VEGF的制备：聚合前将血管内皮生长因子（VEGF）加入预凝胶中，水凝胶中VEGF终浓度为1 μg/ml。

【文章亮点】

1.构建ECM模拟复合水凝胶：构建由GelMA和DNA组成的双组分复合水凝胶，修饰功能适配体（Apt19S和AptV）；具有与天然骨ECM相似的生物学特性，成功模拟天然骨ECM。

2.具有合适的物理化学特性：GDSV-VEGF水凝胶的机械性能使其在修复初期提供物理支持。其次，能够提供合适的力学性能来支持骨组织再生，使DNA在生理环境中具有稳定性。具有的双网络结构可调控其降解过程，适应骨再生的动态过程，确保水凝胶的结构完整。新型水凝胶表现出良好的应力松弛特性，促进骨形成：其应力松弛时间与其他促进成骨的ECM水凝胶接近，约为98s。

3.促进成骨细胞增值分化：GDSV-VEGF水凝胶通过激活局部黏着激酶(FAK)/磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B (Akt)/β-Catenin信号通路，促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）的粘附，促进成骨分化。其具有的应力松弛特性能够促进BMSCs的增值。

4.促进血管生成及血管化骨再生：GDSV-VEGF水凝胶能够持续稳定的释放VEGF（14天后的累积释放量约为70%）促进血管内皮细胞的增殖，促进矿化、矿物沉积，以加快产生新骨和新生血管，增强血管化骨再生。

图1.具有ECM特性的GDSV-VEGF水凝胶促进血管化骨再生的示意图

图2.GDSV水凝胶的合成与表征

图3.GDSV水凝胶的生物相容性及促进细胞增殖

图4.GDSV水凝胶促进BMSCs归巢

图5.GDSV-VEGF水凝胶通过VEGF的缓释促进血管的形成

图6.GDSV水凝胶体外促进BMSCs成骨分化图7.GDSV-VEGF水凝胶促进体内血管化骨形成

图8.GDSV水凝胶促进BMSCs成骨分化的机制及作用

参考文献：

Guanglong Li, Fei Gao, Donglei Yang,et al.ECM-mimicking composite hydrogel for accelerated vascularized bone regeneration[J].Bioactive Materials. 2024, 42: 241-256.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.08.035

来源：生物医用材料进展