载溶血磷脂酸纳米微球的仿生支架对颅面骨再生的成骨作用和机制研究

With the increasing demand for regenerative treatment of bone defects, the insufficient osteogenic capability of current guided bone regenerative materials renders it urgent to develop novel tissue-engineering materials for better outcomes. Bone morphogenetic protein 2 is recognized as a bioactive molecule that enhances properties of bone regenerative materials. However, due to its cost, short half-life, unwanted ectopic bone formation effects, its benefit has been compromised. We developed a novel osteogenic active substance for bone regeneration. Our preliminary study found for the first time that lysophosphatidic acid (LPA) promoted proliferation of stem cells from the apical papilla and enhanced cell differentiation into odontoblasts with increased ALP activity as well as mineral nodule formation. LPA seems to be a good candidate for mineralized tissue regeneration, yet the mechanism by how LPA regulates bone/dentine regeneration is not known. We employed PLGA/PCL biomimetic electrospun scaffolds developed from our pre-study as a biocompatible carrier for local delivery of LPA, which not only provides osteoblasts with an appropriate three-dimensional micro-environment for proliferation and differentiation, but also locally-controlled release LPA via LPA-loaded albumin nanospheres. The mechanism about how LPA regulates bone regeneration and its locally-controlled release potential will be explored to fulfill the mission to develop new osteogenic biomaterials. This project will provide a promising strategy for the subsequent development of nano-biomaterials as an ideal graft material for guided bone regeneration.

骨缺损病例日益增长的治疗需求和目前引导骨再生材料成骨能力不足的现状，迫切需要研发新颖的骨缺损再生修复的组织工程材料。骨形成蛋白2是公认的提高骨再生材料性能的一种活性分子，但价格昂贵，半衰期短，高浓度释放存在异位骨形成和致癌风险等缺点。我们前期研究首次发现溶血磷脂酸（Lysophosphatidic acid，LPA）能促进牙根尖乳头干细胞增殖分化成骨，可作为新型的成骨活性物质用于骨缺损骨再生的研究，然而LPA调控骨再生的机制目前还不清楚。我们利用前期研发的PLGA/PCL仿生电纺支架，作为局部递送LPA的良好载体，不仅为成骨细胞增殖分化提供适宜的三维生长微环境，而且局部递送载LPA的白蛋白纳米微球，实现LPA的局部控释，重点研究局部控释LPA调节骨再生的机制，寄望于开拓新的成骨生物材料。本课题研究将为后续开发替代自体骨移植的引导骨组织再生的纳米生物材料提供参考。

骨缺损病例日益增长的治疗需求和目前引导骨再生材料成骨能力不足的现状，迫切需要研发新颖的骨缺损修复的组织工程材料。我们前期研究首次发现溶血磷脂酸（Lysophosphatidic acid，LPA）能促进牙根尖乳头干细胞增殖分化成骨，可作为新型的成骨活性物质。我们采用自主研发的PLGA/PCL仿生电纺支架，作为局部递送LPA的良好载体，不但为成骨细胞增殖分化提供适宜的三维生长微环境，而且局部递送载LPA的白蛋白纳米微球，实现LPA的局部控释。研究工作包括1）载LPA纳米颗粒仿生支架成骨性能和通过Wnt/β-catenin通路调控MC3T3-E1细胞成骨的机制研究；2）载LPA纳米颗粒-氧化锌多功能仿生支架抗菌成骨性能研究；3）LPA纳米颗粒应对辐射损伤下骨再生的初步拓展研究。通过理化性能测试、体外支架与MC3T3-E1细胞共培养成骨性能评价、支架皮下埋植和小鼠颌骨缺损模型骨再生实验等研究发现1）在支架PLGA/PCL基质中引入LPA纳米颗粒和纳米羟基磷灰石（nano-hydroxyapatite，nHA），通过混合静电纺丝技术制备模拟自体骨生物学功能的复合仿生支架 PP-nHA-LPA，不仅成功携载活性物质LPA 和nHA，而且三维结构稳定，具有较强的力学性能、良好的生物相容性和优异的促进骨再生能力，在小鼠骨缺损模型植入4 周后有效促进成骨，其成骨性能接近临床常用的Bio-Gide 和海奥胶原膜。载LPA仿生支架激活Wnt/β-catenin通路，明显上调β-catenin，促进MC3T3-E1细胞成骨。2）将LPA、氧化锌（zinc oxide，ZnO）和去铁胺（deferoxamine，DFO）纳米颗粒与PLGA/PCL基质，采用同轴静电纺丝技术制备纳米缓释ZnO-LPA（壳）DFO（核）同轴仿生支架PP-LPA-ZnO/DFO，保持多孔纳米纤维结构并具有良好的拉伸强度和弹性模量。体内外研究发现该支架具有增强的成骨性能、优异的生物相容性和有效的抗菌性能，其具有应对感染微环境并且实现骨再生的潜力。3）体外细胞辐照实验发现LPA纳米颗粒与对前成骨细胞辐照损伤具有一定保护作用。本课题进一步探究了溶血磷脂酸调控MC3T3-E1细胞成骨的机制和通过纳米颗粒与可降解仿生支架缓释引导骨再生的能力，将为后续开发基于溶血磷脂酸应对复杂成骨微环境的引导骨组织再生纳米生物材料提供依据。