《Theranostics》上海大學蘇佳燦：序貫調控血管生成與骨生成的顱骨缺損修復時間功能復合水凝膠支架

1.文獻信息

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

【期刊】Theranostics

【影響因子】13.3

【關鍵詞】絲素蛋白水凝膠；丹酚酸B；礦化水凝膠微球；顱骨缺損；時間調控

2.文獻摘要

顱骨大面積缺損修復仍是臨床重大挑戰，傳統材料主要作為惰性填充物，無法滿足顱骨再生的復雜生物學需求。特別是它們缺乏協調血管生成與骨生成的時間特性。本研究旨在開發一種時間功能復合支架，以動態調控再生微環境并促進序貫血管化骨再生。設計了一種基于絲素蛋白的水凝膠系統，整合了載有丹酚酸B（SalB）的緩釋水凝膠和礦化絲素蛋白水凝膠微球（MSFM）。通過材料表征評估支架的結構與力學性能及藥物釋放行為。體外實驗評估內皮細胞遷移、管形成、血管生成相關基因表達以及骨髓間充質干細胞（BMSCs）的成骨分化潛能。通過大鼠顱骨缺損模型的形態學和組織學分析進一步驗證體內修復效果。表征證實 OSFM 微凝膠呈均勻球形，具有多孔內部結構，并表現出 OGP 的持續釋放。體外實驗中， OSFM 與BMSCs表現出優異的細胞相容性，與SFM相比顯著增強了細胞增殖、ALP活性及礦化結節形成（p < 0.05）。管形成實驗和劃痕實驗表明， OSFM 條件培養基促進了 HUVEC 遷移和血管生成。體內實驗中，將 OSFM +PCL支架植入大鼠顱骨缺損后，其骨再生效果顯著優于對照組、PCL組和SFM+PCL組。 OSFM +PCL組在第8周時骨體積分數達到52.31 ± 4.27%，顯著高于其他組的23.65 ± 3.81%、30.42 ± 3.96%和37.86 ± 4.12%（p < 0.05）。組織學染色證實了更成熟的骨形成、豐富的膠原沉積以及新骨與支架間的緊密整合。免疫組化顯示RUNX2、氰酸鹽和CD31表達上調，表明成骨和血管生成增強。這種時間功能復合支架通過利用其組分的差異降解動力學，實現了“先血管生成后成骨”的順序策略。研究結果證明了一種具有強烈生物活性和轉化潛力的仿生時間調控方法，可用于顱骨再生。

3.研究結果

圖1. 通過序貫促進血管生成與成骨作用設計的顱骨缺損修復時間調控水凝膠復合支架示意圖。

圖2. 時間功能復合水凝膠支架的合成與表征

圖3.復合水凝膠支架的生物相容性。(A)骨髓間充質干細胞（BMSCs）活/死染色。比例尺=100 μm 。(B)人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）活/死染色。比例尺=100 μm 。（C-D）與復合支架共培養的BMSCs和HUVECs細胞活力（p<0.01）。

圖4.復合支架促進血管生成的體外功能評估。(A)0小時和24小時的遷移實驗。比例尺=500 μm 。(B)血管生成實驗示意圖。（C-E）遷移和管形成實驗的定量分析。(F)4小時和8小時的管形成實驗。比例尺=200 μm 。(G)血管生成相關基因表達的RT-qPCR分析（p<0.001）。

圖5.復合支架促進體外成骨功能的評估。（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)成骨相關基因表達的定量PCR分析（p<0.001）。

圖6.骨髓間充質干細胞（BMSCs）與人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）的轉錄組測序分析。（A-B）對照組與SalB@ SFH +MSFM組間的差異表達基因（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 。

圖7.顱骨缺損修復的顯微CT與組織學分析。(A)顱骨缺損模型建立方案。比例尺=5mm。(B)大鼠顱骨缺損手術示意圖。（C-D）大鼠顱骨樣本在4周和8周時的顯微CT重建及定量分析。比例尺=1mm。（E-F）再生骨組織的H&E染色與Masson三色染色。比例尺= 200μm 和50 μm 。

圖8. 顱骨缺損修復的體內組織學分析。（A-C）4周和8周時氰酸鹽、 OPN 和RUNX2的免疫組化染色。比例尺 = 200 μm 和50 μm 。（D-F）通過免疫組化對氰酸鹽、 OPN 和RUNX2表達的定量分析。（G-H）4周時CD31和 α -SMA的免疫熒光染色及定量分析。比例尺 = 100 μm 。

圖9.體內生物相容性評估。各實驗組大鼠器官切片（心臟、肝臟、脾臟、肺臟和腎臟）的H&E染色。比例尺=200 μm 。