《Biomater. Res.》川大华西口腔李宇：3D打印细胞适应性纳米胶体水凝胶诱导内源性成骨用于骨修复

研究概述

目前，临界尺寸骨缺损的临床修复仍面临重大挑战。自体骨移植虽被视为“金标准”，但仍存在供体有限、造成二次创伤及形态难以精准匹配缺损部位等局限。组织工程支架虽能填充缺损区域，却常因内部微环境不理想而难以支持细胞在缺损中心的有效迁移、增殖与成骨分化——传统多孔支架的孔壁结构会阻碍细胞活动，且缺乏动态适应细胞行为的能力。另外，依赖外源性生长因子（如BMP-2）促进骨再生的方法成本高且有安全风险。因此，亟需开发一种无需外加生物活性因子、仅通过自身物理结构即可有效募集内源性干细胞并诱导其成骨分化的新型支架材料。近年来，受天然细胞外基质（ECM）多孔、纳米级和动态可适应特性的启发，科研人员聚焦于构建兼具互连纳米球结构与细胞自适应能力的三维打印水凝胶，以期实现高效、安全的骨再生。

基于此，本研究团队开发 了一种新型3D打印的纳米胶体明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶（简称nG水凝胶），其通过GelMA与泊洛沙姆F68共混后自组装并光交联形成互连纳米球结构。这种细胞可适应性的微观结构不仅具有优异的孔隙连通性，还能动态响应细胞行为，显著促进大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）在体外的浸润、迁移、铺展及成骨分化，表现为碱性磷酸酶（ALP）、RUNX2、I型胶原（COL-1）和骨钙素（OCN）表达上调及钙结节形成增强。在大鼠临界尺寸颅骨缺损模型中，无需外源性生长因子，nG水凝胶即可有效募集内源性CD29⁺/CD90⁺干细胞，显著提升骨矿密度（BMD）和新骨再生。机制研究表明，其促成骨作用部分源于激活了整合素β1/黏着斑激酶（FAK）机械转导信号通路。该研究为临床定制化修复大段骨缺损提供了一种具有转化前景的“生物海绵”策略。

细胞适应性 nG 水凝胶在骨再生中的应用 示意图

相关研究以“Three-Dimensional Printed Cell-Adaptable Nanocolloidal Hydrogel Induces Endogenous Osteogenesis for Bone Repair”为题，发表在《Biomaterials Research》。四川大学华西口腔医院李宇教授、四川大学华西医院苟马玲研究员、四川大学华西口腔医院赵志河教授为其共同通讯作者。

图文结果

Figure 1、水凝胶的制备与表征。(A) 基于DLP的3D打印示意图。(B) nG水凝胶的个性化3D打印能力。上行，3D打印的输入图像；下行，3D打印nG水凝胶的光学显微照片。(C) 展示水凝胶形态和微观结构的照片和SEM图像。(D) nG水凝胶中纳米球的尺寸。(E) 水凝胶的AFM图像。(F) 从AFM分析获得的Ra和Rq。(G) nG水凝胶在1.5×SBF中矿化1天前后的EDS元素映射图像。(H) 根据EDS分析，nG水凝胶中C、O、P和 Ca 的原子百分比。

Figure 2、nG水凝胶的生物相容性和生物降解性。(A) 活/死细胞染色。(B) 水凝胶在体内的降解行为。黑圈表示水凝胶的原始大小。(C) 根据图2B，在降解过程中剩余的水凝胶痕迹。(D) 植入1周后水凝胶周围皮下组织的H&E染色。(E) 活/死细胞染色的定量分析。(F) 通过CCK-8测定法确定的细胞增殖能力。(G) 植入8周后相对剩余水凝胶面积的量化。

Figure 3、nG水凝胶促进了细胞的粘附、铺展和迁移。(A) rBMSCs在水凝胶上培养3天后的粘附、铺展和迁移情况。上行，CLSM图像的3D和XY视图；下行，SEM图像。(B) rBMSCs在水凝胶内培养3天后的铺展和迁移情况。上行，CLSM图像的3D和XY视图；下行，SEM图像。(C) 在nG水凝胶中通过SIM捕捉到的细胞的时间序列图像。时间以小时:分钟表示。(D) 根据(C)所示的细胞和nG水凝胶动态变化的示意图。(E) 细胞在水凝胶上和内部的粘附、铺展和迁移的示意图。

Figure 4、nG 水凝胶对 rBMSCs 成骨分化的促进作用。(A) ALP 和 ARS 的染色及定量分析。(B) rBMSCs 在两周培养后的成骨基因表达。(C，D) nG 水凝胶中 RUNX2 和 OCN 的表达量分别升高。(E) RUNX2 和 OCN 的荧光强度。(F) 水凝胶中的细胞铺展面积。(G) rBMSCs 在 nG 水凝胶中培养后表现出类似于成骨细胞的形态。

Figure 5、nG水凝胶在颅骨缺损区域招募干细胞。(A) 动物实验示意图。(B) CD29、CD90和SDF-1α的H&E染色和IHC染色。红色箭头指示阳性表达。F，纤维；H，水凝胶。(C) CD29+和CD90+细胞的数量以及SDF-1α的表达量。

Figure 6、大鼠颅骨临界缺损的μCT分析。(A) 从μCT分析得到的3D重建。(B) BMD和BV/TV的定量分析。

Figure 7、颅骨缺损的组织学和免疫组化染色。(A) 手术后4周和10周的H&E和Masson染色。灰色箭头指示缺损的边界。红色箭头指示水凝胶内的新骨沉积。(B，C) 分别为手术后4周和10周的OCN和COL-1免疫组化染色。红色箭头指示水凝胶内细胞周围的阳性表达。F，纤维；H，水凝胶；NB，新骨。

Figure 8、nG水凝胶上调ECM-细胞内机械转导的关键因子。(A) 第3天在水凝胶中培养的细胞的整合素β1和pFAK的免疫荧光染色。(B) 第3天在水凝胶中培养的细胞的Itgb1和Ptk2基因表达分析。(C，D) 手术后7天和4周颅骨缺损区域的整合素β1和pFAK的IHC染色。红色箭头指示阳性表达。

结论

本研究开发了一种新型三维打印的纳米胶体明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶（nG水凝胶），其通过GelMA与泊洛沙姆F68自组装形成互连纳米球结构。该nG水凝胶具有优异的孔隙连通性和细胞自适应微结构，无需外源性生长因子即可有效促进大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）的浸润、迁移、铺展及成骨分化，显著上调ALP、RUNX2、COL-1和OCN等成骨标志物表达，并增强钙结节形成。在大鼠临界尺寸颅骨缺损模型中，nG水凝胶显著招募内源性CD29⁺/CD90⁺干细胞，促进新骨生成，提高骨密度。机制研究表明，其促成骨能力部分源于激活整合素β1/黏着斑激酶（FAK）机械转导信号通路。细胞自适应型nG水凝胶展现出作为临床可转化策略用于个性化修复大段骨缺损的巨大潜力。

参考文献

3D-Printed Cell-adaptable Nanocolloidal Hydrogel Induces Endogenous Osteogenesis for Bone Repair

Wenxin Lu、Li Li、Ruyi Wang、Yanting Wu、Yao Chen、Bowen Tan、Zhihe Zhao、Maling Gou、Yu Li

DOI：10.34133/bmr.0146

Biomaterials Research

全文链接

https://doi.org/10.34133/bmr.0146