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東華大學何創(chuàng)龍教授團隊 Chem. Eng. J.：抗菌生物活性支架發(fā)揮本征刺激與免疫調節(jié)活性共同促進血管化骨再生

2024-11-18 來源：高分子科技

骨組織工程支架除了合適的結構支撐，還需要擁有一些重要的生物功能，諸如抗菌性能、良好的血管生成、成骨和骨整合能力。細菌性感染會降低成骨細胞的粘附能力和成骨性能，將導致骨移植失敗。另外，骨支架中的血管化能夠為成骨過程提供營養(yǎng)物質、氧氣輸送以及功能細胞，而血管生成和成骨的耦聯(lián)顯著促進缺損骨組織的再生修復。此外，免疫調節(jié)途徑涉及骨組織再生的整個過程，通過增加M2型巨噬細胞數(shù)量可以進一步促進骨修復。因此，根據(jù)骨再生的生理過程，開發(fā)一種抗菌的生物適配性支架，通過釋放生物活性因子兼顧本征刺激促進成骨-成血管的耦聯(lián)和免疫調節(jié)活性促進巨噬細胞M2型極化來共同增強血管化骨再生效果，有望提高臨床骨修復領域的應用潛力。

近期，東華大學何創(chuàng)龍教授團隊利用3D打印技術和層層自組裝的表面修飾方法開發(fā)了一種基于“本征刺激和免疫調節(jié)誘導”策略的多功能生物活性骨修復支架（圖1）。通過在3D打印聚己內酯（PCL）支架表面生成聚電解質涂層（羧甲基殼聚糖和超支化聚賴氨酸），成功構建了表面負載SLIT3蛋白和內部嵌入摻鍶羥基磷灰石（SrHA）顆粒的生物活性復合支架（SLIT3/SrHA@PCH）。通過SLIT3蛋白和SrHA的差異分布設計，實現(xiàn)了SLIT3蛋白和鍶離子的按需釋放，即SLIT3蛋白釋放較快，而鍶離子呈現(xiàn)良好的持續(xù)釋放模式（圖2），利于早期的血管化和長效的成骨誘導。羧甲基殼聚糖和超支化聚賴氨酸的聚電解質涂層使復合支架具有可定制的抗菌性能（圖2），同時為蛋白的高效負載提供了吸附層，并且為細胞附著、增殖和遷移提供了適合的微環(huán)境。體外細胞實驗表明，SLIT3/SrHA@PCH支架釋放的SLIT3蛋白和鍶離子能夠自身刺激人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）的遷移和管狀化，并上調骨髓間充質干細胞（BMSCs）成骨分化相關基因的表達和促進礦物基質的生成。此外，SLIT3/SrHA@PCH支架能夠誘導巨噬細胞的M2型極化，從而間接促進HUVECs的遷移、管狀化和血管生成相關基因的表達以及增強BMSCs成骨分化相關基因的表達（圖3和圖4）。動物實驗結果表明，植入的SLIT3/SrHA@PCH支架可通過免疫調節(jié)創(chuàng)造有益的再生微環(huán)境，并通過增強H型血管形成促進缺損處的骨再生（圖5和圖6）。因此，本研究利用本征刺激和免疫調節(jié)活性的協(xié)同作用增強了支架的成骨性能，該策略在生物適配性骨修復材料的開發(fā)方面具有重要的參考價值。

圖1 SLIT3/SrHA@PCH支架的制備及其生物功能示意圖

圖2 復合支架的物理表征、抗菌性能與藥物釋放行為

圖3 復合支架免疫調節(jié)的體外成血管性能評價

圖4 復合支架免疫調節(jié)與本征刺激的體外成骨性能評價

圖5 復合支架的體內免疫調節(jié)性能評價

圖6 復合支架的體內成血管與成骨性能評價

該研究以“Antibacterial bioadaptive scaffold promotes vascularized bone regeneration by synergistical action of intrinsic stimulation and immunomodulatory activity”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》期刊。東華大學生物與醫(yī)學工程學院何創(chuàng)龍教授、周小軍副研究員和上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院骨科李濤副研究員為通訊作者，碩士研究生錢昱含為第一作者。該工作得到國家自然科學基金委、上海市科委等項目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157682

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（責任編輯：xu）

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