天麻素缓释复合支架的构建及其对骨质疏松性骨缺损修复的研究

Osteoporosis remains a highly prevalent bone metabolic disease. Currently, no methods exist for effective repair. Recent studies have shown that gastrodin is a potent antioxidant linking to a reduction in reactive oxygen species and useful in the prevention and treatment of osteoporosis. It’s of great researching potential and application value to controlling release of gastrodin. In the present research, we imitate the inorganic nano-hydroxyapatite of human bone and the hydrophilic-hydrophobic microstructure of collagen, to design a nano polyurethane composite scaffold. We will further develop gastrodin-grafted polyurethane scaffolds to achieve a sustained release of gastrodin for improving bone regeneration in osteoporosis. Through the synergy organic interpenetrating network effect and inorganic nano effect by optimizing gastrodin/polymer ratio and molecular structure, the scaffold mechanical and biological properties could be improved to match the needs of bone regeneration and repair. We will investigate the controlled release of gastrodin concurrent with scaffold degradation, and further understand the regulation of the antioxidative gastrodin on bone metabolism. The results of this research will be instrumental for the development of new drug-delivery composite biomaterials for the treatment of osteoporosis.

骨质疏松是常见的骨代谢疾病，目前对其缺损修复缺乏有效的途径。已有研究结果显示，天麻素能显著提高部分内源性巯醇抗氧化物的活性，抑制破骨吸收并促进成骨分化，但难以保障长效控释，实现天麻素缓释具有较大的研究潜力和应用价值。本项目在前期成功模拟人骨无机纳米磷灰石和骨胶原亲疏水微结构仿生构建聚氨酯复合支架的基础上，接枝亲水性天麻素，开发用于骨质疏松下骨缺损再生修复的天麻素缓释聚氨酯支架。通过优化天麻素配比和分子结构，协同有机互穿网络效应和无机纳米效应实现复合支架力学性能和生物活性的同步提升；利用天麻素抗氧化应激的药理作用，探索天麻素随着聚氨酯支架的逐级降解实现长效控释，拟建立缓释规律与骨代谢正常化的方法论，并结合相关的功能研究探讨其与成骨细胞分化的相关性及骨质疏松下骨再生的作用，为发展新型的药物缓释复合生物材料提供科学依据。

大段骨缺损修复一直是临床上面临的挑战，特别是骨质疏松性骨微环境的破坏加剧了再生修复的难度。已有研究结果显示，天麻素能降低炎症并促进骨髓间充质干细胞成骨分化，但难以保障长效控释，实现天麻素缓释具有较大的研究潜力和应用价值。本项目将天麻素化学聚合到聚氨酯基质，复合纳米羟基磷灰石，制备了天麻素缓释聚氨酯复合支架(gastrodin-PU/n-HA)。通过优化天麻素配比和分子结构，协同有机互穿网络效应和无机纳米效应，与 0、0.5、1% gastrodin-PU/n-HA 组相比，2% gastrodin-PU/n-HA 大幅提升了复合支架的力学性能，并同步提高了支架的亲水性，从而加速支架的逐级有序降解，实现天麻素的长期有效释放。将骨髓间充质干细胞接种到支架，发现随天麻素配比量增加，细胞成骨分化（ALP、COL1、RUNX2）能力增强；此外，2% gastrodin-PU/n-HA 能显著促进 M2 型巨噬细胞的极化（Arg-1、CD206），减弱 IL-1β 和 TNF-α 的表达，采用激活的 M2 型巨噬细胞培养基分别处理间充质干细胞和人脐静脉内皮细胞，显著上调了成骨（ALP、BMP-2）和血管生成相关因子（VEGF、BFGF）。SD 大鼠皮下埋植支架发现，随天麻素配比量增加，2% gastrodin-PU/n-HA 的抗纤维包裹能力增强，血清炎性因子降低，巨噬细胞趋向于 M2 型极化，且可见明显的血管化再生。进而植入 SD 大鼠股骨髁缺损，Micro-CT 结果显示，gastrodin-PU/n-HA 支架的新生骨体积参数(BV/TV)，骨小梁厚度(Tb.Th)显著提高；H&E、Masson、免疫组化和免疫荧光（RUNX2、CD31）染色呈现出大量的板层骨和新生血管，尤以 2% gastrodin-PU/n-HA 组最为显著。构建 SD 大鼠绝经后骨质疏松模型，制造继发性股骨髁缺损并植入支架，发现 2% gastrodin-PU/n-HA 能显著改善骨微环境，提取的骨髓间充质干细胞数量、细胞铺展状态以及线粒体活性明显优于 PU/n-HA 组；相应的组织切片染色也呈现出更多的新生组织，表明天麻素缓释复合支架能有效促进骨质疏松性骨缺损的再生修复，为进一步深入全面开展天麻素缓释聚氨酯支架在骨质疏松骨缺损修复的研究奠定了重要的基础，在骨组织工程领域具有广阔的应用前景。