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北京納米能源所蒲雄/北大口腔醫院李崢 AFM：兩性離子水凝膠通過調節代謝反應促進骨再生

2023-12-07 來源：高分子科技

由創傷、腫瘤、勞損、骨關節炎等因素導致的骨缺損病變在生活中日益普遍，在眾多治療手段中，例如骨移植、膜誘導再生、基因治療和骨組織工程等等，骨組織再生工程由于手術難度較小和修復效果顯著而受到研究者們的廣泛關注。骨組織工程的關鍵在于調控干細胞的定向分化，從而促進骨再生，但是如何開發理想的骨組織再生材料，仍面臨著巨大的挑戰。

機理圖1 可植入兩性離子水凝膠促進骨再生

近期，中科院北京納米能源所蒲雄研究員團隊聯合北大口腔醫院李崢博士，合成了以甲基丙烯酸化磺基甜菜堿（DMAPS）和丙烯酰化明膠（GelMA）為基體的可植入聚兩性離子水凝膠支架，該聚兩性離子水凝膠的力學性能顯著增強，適用于骨組織缺損的修復應用（機理圖1）。同時，以聚陰離子纖維（PAC）和聚二甲基二烯氯化銨（PDAC）為對照，分別觀察三種不同電荷性質水凝膠支架對大鼠股骨缺損的修復作用（圖1）。該工作證明了兩性離子水凝膠可以通過驅動異質性來調節與纖連蛋白（FnIII7）的結合和代謝反應。同時，細胞-基質相互作用、骨髓間充質干細胞（BMSCs）募集和成骨分化顯著增強，炎癥受到抑制，最終導致成骨發生顯著改變（圖2、3）。這項研究確定了兩性離子水凝膠在骨組織修復和未來的臨床轉化應用中的重要作用。相關研究工作以題為“Metabolic Response Modulations by Zwitterionic Hydrogels for Achieving Promoted Bone Regeneration”發表在國際頂級學術期刊Advanced Functional Materials（IF=19.0）上。文章第一作者是博士研究生李隆偉，通訊作者為蒲雄研究員和李崢博士。該研究得到國家自然科學基金和口腔疾病國家重點實驗室開放課題的支持。

圖1 不同電荷屬性水凝膠的骨修復效果

圖2 不同電荷屬性水凝膠的骨修復病理分析

圖3 兩性離子水凝膠誘導成骨的代謝物表達譜

該工作是團隊近期關于兩性離子聚合物材料應用與組織修復相關研究的最新進展之一。兩性離子聚合物材料由于其特殊的電荷性質和官能團結構的可設計性，在生物醫藥、柔性電子和能量存儲轉化等眾多領域都有廣泛應用。然而，不同應用領域對兩性離子聚合物的材料性能要求不盡相同，并且化學結構與材料性能的關系仍不夠明確，因此，針對特定應用場景設計功能化的兩性離子聚合物顯得尤為重要。基于以上挑戰，蒲雄課題組過去兩年中開發了用于鋅/聚苯胺雙離子電池的兩性離子凝膠電解質（J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 24325）和用于柔性電子領域的聚兩性離子彈性體（J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 24581）。李崢博士團隊近年來聚焦于能量代謝調控骨再生的研究，系統解析了糖代謝關鍵酶在二維和三維調控成骨分化的關鍵信號通路（Stem Cells, 2019, 37(12): 1542-1555;Bioactive Materials, 2022, 18:492-506；International Journal of Oral Science, 2022, 14:54）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202309594

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（責任編輯：xu）

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