研究概述

目前，臨界尺寸骨缺損的臨床修復仍面臨重大挑戰。自體骨移植雖被視為“金標準”，但仍存在供體有限、造成二次創傷及形態難以精準匹配缺損部位等局限。組織工程支架雖能填充缺損區域，卻常因內部微環境不理想而難以支持細胞在缺損中心的有效遷移、增殖與成骨分化——傳統多孔支架的孔壁結構會阻礙細胞活動，且缺乏動態適應細胞行為的能力。另外，依賴外源性生長因子（如BMP-2）促進骨再生的方法成本高且有安全風險。因此，亟需開發一種無需外加生物活性因子、僅通過自身物理結構即可有效募集內源性干細胞并誘導其成骨分化的新型支架材料。近年來，受天然細胞外基質（ECM）多孔、納米級和動態可適應特性的啟發，科研人員聚焦于構建兼具互連納米球結構與細胞自適應能力的三維打印水凝膠，以期實現高效、安全的骨再生。

基于此，本研究團隊開發 了一種新型3D打印的納米膠體明膠甲基丙烯酰（GelMA）水凝膠（簡稱nG水凝膠），其通過GelMA與泊洛沙姆F68共混后自組裝并光交聯形成互連納米球結構。這種細胞可適應性的微觀結構不僅具有優異的孔隙連通性，還能動態響應細胞行為，顯著促進大鼠骨髓間充質干細胞（rBMSCs）在體外的浸潤、遷移、鋪展及成骨分化，表現為堿性磷酸酶（ALP）、RUNX2、I型膠原（COL-1）和骨鈣素（OCN）表達上調及鈣結節形成增強。在大鼠臨界尺寸顱骨缺損模型中，無需外源性生長因子，nG水凝膠即可有效募集內源性CD29?/CD90?干細胞，顯著提升骨礦密度（BMD）和新骨再生。機制研究表明，其促成骨作用部分源于激活了整合素β1/黏著斑激酶（FAK）機械轉導信號通路。該研究為臨床定制化修復大段骨缺損提供了一種具有轉化前景的“生物海綿”策略。

細胞適應性 nG 水凝膠在骨再生中的應用 示意圖

相關研究以“Three-Dimensional Printed Cell-Adaptable Nanocolloidal Hydrogel Induces Endogenous Osteogenesis for Bone Repair”為題，發表在《Biomaterials Research》。四川大學華西口腔醫院李宇教授、四川大學華西醫院茍馬玲研究員、四川大學華西口腔醫院趙志河教授為其共同通訊作者。

圖文結果

Figure 1、水凝膠的制備與表征。(A) 基于DLP的3D打印示意圖。(B) nG水凝膠的個性化3D打印能力。上行，3D打印的輸入圖像；下行，3D打印nG水凝膠的光學顯微照片。(C) 展示水凝膠形態和微觀結構的照片和SEM圖像。(D) nG水凝膠中納米球的尺寸。(E) 水凝膠的AFM圖像。(F) 從AFM分析獲得的Ra和Rq。(G) nG水凝膠在1.5×SBF中礦化1天前后的EDS元素映射圖像。(H) 根據EDS分析，nG水凝膠中C、O、P和 Ca 的原子百分比。

Figure 2、nG水凝膠的生物相容性和生物降解性。(A) 活/死細胞染色。(B) 水凝膠在體內的降解行為。黑圈表示水凝膠的原始大小。(C) 根據圖2B，在降解過程中剩余的水凝膠痕跡。(D) 植入1周后水凝膠周圍皮下組織的H&E染色。(E) 活/死細胞染色的定量分析。(F) 通過CCK-8測定法確定的細胞增殖能力。(G) 植入8周后相對剩余水凝膠面積的量化。

Figure 3、nG水凝膠促進了細胞的粘附、鋪展和遷移。(A) rBMSCs在水凝膠上培養3天后的粘附、鋪展和遷移情況。上行，CLSM圖像的3D和XY視圖；下行，SEM圖像。(B) rBMSCs在水凝膠內培養3天后的鋪展和遷移情況。上行，CLSM圖像的3D和XY視圖；下行，SEM圖像。(C) 在nG水凝膠中通過SIM捕捉到的細胞的時間序列圖像。時間以小時:分鐘表示。(D) 根據(C)所示的細胞和nG水凝膠動態變化的示意圖。(E) 細胞在水凝膠上和內部的粘附、鋪展和遷移的示意圖。

Figure 4、nG 水凝膠對 rBMSCs 成骨分化的促進作用。(A) ALP 和 ARS 的染色及定量分析。(B) rBMSCs 在兩周培養后的成骨基因表達。(C，D) nG 水凝膠中 RUNX2 和 OCN 的表達量分別升高。(E) RUNX2 和 OCN 的熒光強度。(F) 水凝膠中的細胞鋪展面積。(G) rBMSCs 在 nG 水凝膠中培養后表現出類似于成骨細胞的形態。

Figure 5、nG水凝膠在顱骨缺損區域招募干細胞。(A) 動物實驗示意圖。(B) CD29、CD90和SDF-1α的H&E染色和IHC染色。紅色箭頭指示陽性表達。F，纖維；H，水凝膠。(C) CD29+和CD90+細胞的數量以及SDF-1α的表達量。

Figure 6、大鼠顱骨臨界缺損的μCT分析。(A) 從μCT分析得到的3D重建。(B) BMD和BV/TV的定量分析。

Figure 7、顱骨缺損的組織學和免疫組化染色。(A) 手術后4周和10周的H&E和Masson染色。灰色箭頭指示缺損的邊界。紅色箭頭指示水凝膠內的新骨沉積。(B，C) 分別為手術后4周和10周的OCN和COL-1免疫組化染色。紅色箭頭指示水凝膠內細胞周圍的陽性表達。F，纖維；H，水凝膠；NB，新骨。

Figure 8、nG水凝膠上調ECM-細胞內機械轉導的關鍵因子。(A) 第3天在水凝膠中培養的細胞的整合素β1和pFAK的免疫熒光染色。(B) 第3天在水凝膠中培養的細胞的Itgb1和Ptk2基因表達分析。(C，D) 手術后7天和4周顱骨缺損區域的整合素β1和pFAK的IHC染色。紅色箭頭指示陽性表達。

結論

本研究開發了一種新型三維打印的納米膠體明膠甲基丙烯酰（GelMA）水凝膠（nG水凝膠），其通過GelMA與泊洛沙姆F68自組裝形成互連納米球結構。該nG水凝膠具有優異的孔隙連通性和細胞自適應微結構，無需外源性生長因子即可有效促進大鼠骨髓間充質干細胞（rBMSCs）的浸潤、遷移、鋪展及成骨分化，顯著上調ALP、RUNX2、COL-1和OCN等成骨標志物表達，并增強鈣結節形成。在大鼠臨界尺寸顱骨缺損模型中，nG水凝膠顯著招募內源性CD29?/CD90?干細胞，促進新骨生成，提高骨密度。機制研究表明，其促成骨能力部分源于激活整合素β1/黏著斑激酶（FAK）機械轉導信號通路。細胞自適應型nG水凝膠展現出作為臨床可轉化策略用于個性化修復大段骨缺損的巨大潛力。

參考文獻

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

全文鏈接

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