《Theranostics》上海大学苏佳灿：序贯调控血管生成与骨生成的颅骨缺损修复时间功能复合水凝胶支架

1.文献信息

【题目】A temporally functional composite hydrogel scaffold for cranial defect repair via sequential modulation of angiogenesis and osteogenesis

【期刊】Theranostics

【影响因子】13.3

【关键词】丝素蛋白水凝胶；丹酚酸B；矿化水凝胶微球；颅骨缺损；时间调控

2.文献摘要

颅骨大面积缺损修复仍是临床重大挑战，传统材料主要作为惰性填充物，无法满足颅骨再生的复杂生物学需求。特别是它们缺乏协调血管生成与骨生成的时间特性。本研究旨在开发一种时间功能复合支架，以动态调控再生微环境并促进序贯血管化骨再生。设计了一种基于丝素蛋白的水凝胶系统，整合了载有丹酚酸B（SalB）的缓释水凝胶和矿化丝素蛋白水凝胶微球（MSFM）。通过材料表征评估支架的结构与力学性能及药物释放行为。体外实验评估内皮细胞迁移、管形成、血管生成相关基因表达以及骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化潜能。通过大鼠颅骨缺损模型的形态学和组织学分析进一步验证体内修复效果。表征证实 OSFM 微凝胶呈均匀球形，具有多孔内部结构，并表现出 OGP 的持续释放。体外实验中， OSFM 与BMSCs表现出优异的细胞相容性，与SFM相比显著增强了细胞增殖、ALP活性及矿化结节形成（p < 0.05）。管形成实验和划痕实验表明， OSFM 条件培养基促进了 HUVEC 迁移和血管生成。体内实验中，将 OSFM +PCL支架植入大鼠颅骨缺损后，其骨再生效果显著优于对照组、PCL组和SFM+PCL组。 OSFM +PCL组在第8周时骨体积分数达到52.31 ± 4.27%，显著高于其他组的23.65 ± 3.81%、30.42 ± 3.96%和37.86 ± 4.12%（p < 0.05）。组织学染色证实了更成熟的骨形成、丰富的胶原沉积以及新骨与支架间的紧密整合。免疫组化显示RUNX2、氰酸盐和CD31表达上调，表明成骨和血管生成增强。这种时间功能复合支架通过利用其组分的差异降解动力学，实现了“先血管生成后成骨”的顺序策略。研究结果证明了一种具有强烈生物活性和转化潜力的仿生时间调控方法，可用于颅骨再生。

3.研究结果

图1. 通过序贯促进血管生成与成骨作用设计的颅骨缺损修复时间调控水凝胶复合支架示意图。

图2. 时间功能复合水凝胶支架的合成与表征

图3.复合水凝胶支架的生物相容性。(A)骨髓间充质干细胞（BMSCs）活/死染色。比例尺=100 μm 。(B)人脐静脉内皮细胞（HUVECs）活/死染色。比例尺=100 μm 。（C-D）与复合支架共培养的BMSCs和HUVECs细胞活力（p<0.01）。

图4.复合支架促进血管生成的体外功能评估。(A)0小时和24小时的迁移实验。比例尺=500 μm 。(B)血管生成实验示意图。（C-E）迁移和管形成实验的定量分析。(F)4小时和8小时的管形成实验。比例尺=200 μm 。(G)血管生成相关基因表达的RT-qPCR分析（p<0.001）。

图5.复合支架促进体外成骨功能的评估。（A-B）第7天ALP染色及定量分析。比例尺=100 μm 。（C-D）第7天ARS染色及定量分析。比例尺=100 μm 。(E)成骨相关基因表达的定量PCR分析（p<0.001）。

图6.骨髓间充质干细胞（BMSCs）与人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的转录组测序分析。（A-B）对照组与SalB@ SFH +MSFM组间的差异表达基因（DEGs）。（C-D）DEGs的GO富集分析。（E-F）DEGs的 KEGG 通路富集分析。（G-H）DEGs的 GSEA 。

图7.颅骨缺损修复的显微CT与组织学分析。(A)颅骨缺损模型建立方案。比例尺=5mm。(B)大鼠颅骨缺损手术示意图。（C-D）大鼠颅骨样本在4周和8周时的显微CT重建及定量分析。比例尺=1mm。（E-F）再生骨组织的H&E染色与Masson三色染色。比例尺= 200μm 和50 μm 。

图8. 颅骨缺损修复的体内组织学分析。（A-C）4周和8周时氰酸盐、 OPN 和RUNX2的免疫组化染色。比例尺 = 200 μm 和50 μm 。（D-F）通过免疫组化对氰酸盐、 OPN 和RUNX2表达的定量分析。（G-H）4周时CD31和 α -SMA的免疫荧光染色及定量分析。比例尺 = 100 μm 。

图9.体内生物相容性评估。各实验组大鼠器官切片（心脏、肝脏、脾脏、肺脏和肾脏）的H&E染色。比例尺=200 μm 。