聚L-谷氨酸基骨诱导活性可注射水凝胶及其骨缺损修复研究

Osteoinductive injectable hydrogel provides an ideal way to repair bone defect in clinical practice, which can fill the the bone defect with complex shape, effectively promote the healing of bone defect. In this project, the star-shaped polymer with the core of β-cyclodextrin (β-CD-g-(PLGA)n) and modified hydroxyapatite nanoparticles (nHA-g-PLGA) will be prepared through grafting of poly(L-glutamic acid) (PLGA). The hydrophobic active molecule SIM is encapsulated into β-cyclodextrin (β-CD) through inclusion complexation. PLGA based osteoinductive injectable hydrogel will be fabricated through inter-macromolecular in-situ chemical crosslinking using nHA and β-CD as the cross-linking sites. The hydrogel resembles bone matrix in component and biochemical structure. The controlled release system of SIM is introduced into the injectable hydrogel system, which can stimulate continuous expression of bone morphogenetic protein-2 (BMP-2). Therefore, an osteoinductive microenvironment is created. The system exhibits good interface compatibility with multiple crosslinking structure, effectively solve the problem of unstable network structure of the hydrogel. The structure and properties of hydrogels will be studied. The rabbit models of femoral defect will be established to evaluate the osteogenic activity of injectable hydrogel and the effect in repair the bone defect. The project will provide a scientific basis for the design and study of efficient, safe, simple injectable hydrogel system used in the repair of bone defect.

骨诱导活性可注射水凝胶可填充复杂形状骨缺损，有效促进骨愈合，为临床骨缺损修复提供一条有发展潜力的新途径。本项目提出通过接枝聚L-谷氨酸（PLGA）制备β-环糊精为核的星形聚合物（β-CD-g-(PLGA)n）和改性纳米羟基磷灰石（nHA-g-PLGA），并通过β-CD包合作用实现疏水性活性分子辛伐他汀（SIM）的负载。以nHA和β-CD 为交联位点，通过高分子间原位化学交联，构建PLGA 基可注射水凝胶。该水凝胶模拟天然骨基质的组成和生化结构，结合SIM控释体系以刺激骨形态发生蛋白-2（BMP-2）的持续表达，可创造诱导骨组织再生的微环境；具有良好的界面相容性与多重交联结构，有效解决水凝胶网络结构不稳定的问题。对该可注射水凝胶的结构和性能进行深入研究，并建立兔股骨缺损模型，评价水凝胶成骨活性及其对骨缺损修复效果。该项目为设计和研究有效、安全、简便的骨缺损修复用可注射水凝胶体系提供科学依据。

组织工程技术作为一种治疗器官和组织损伤的革命性方法，引起了研究者的广泛关注。可注射水凝胶作为组织工程支架的一种，通过微创方式植入，避免外科手术过程中的高度创伤性，具有良好的生物相容性和填充复杂形状缺损的自适应性，可方便地用于细胞的包埋、生物活性分子控释，为缺损修复与组织再生提供了一条有发展潜力的新途径。聚L-谷氨酸（PLGA）是一种生物相容性和生物降解性能优良的合成聚多肽，可模拟细胞外基质（ECM）中的蛋白质成分，是一种具有良好应用前景的生物材料。.首先通过表面接枝和活化改性合成一系列聚L-谷氨酸基原料，对PLGA进行酰肼化和醛基化改性。同时对β-环糊精（β-CD）和纳米羟基磷灰石（nHA）进行氨基化改性，通过接枝PLGA制备以β-CD为核的星形聚合物（β-CD-g-PLGA）和改性纳米羟基磷灰石（nHA-g-PLGA）。分别以 nHA、β-CD 与高分子间腙键（-NH-N=）作为交联位点共同构筑三维网络，制备多类PLGA基可注射水凝胶。另一方面构建负载辛伐他汀（SIM）的麦芽糊精胶束复合可注射水凝胶。引入不同结构和形态的交联位点可有效提高水凝胶力学强度，并改善对疏水性活性药物SIM负载和控释的问题。上述水凝胶支持细胞的粘附、增殖及细胞外基质沉积。负载SIM的胶束复合凝胶能有效促进MC3T3-E1细胞的成骨矿化。SIM的长效控释有利于MC3T3-E1细胞的成骨分化，并可降低SIM的生物毒性。PLGA基复合可注射水凝胶可有效促进骨缺损修复。以上工作为临床应用提供新型骨修复可注射水凝胶支架材料。在此基础上，本项目发展了具有良好组织粘附性以及自愈合性的PLGA基可注射水凝胶，可使材料粘附于组织缺损部位，并在受到破坏时实现自我修复。该水凝胶在组织修复等领域有良好的应用前景。.上述工作为PLGA基可注射水凝胶在骨组织工程中应用奠定基础。