调控3D打印水凝胶的理化特征促进间充质干细胞的成骨分化及其在骨修复中的应用

Synthetic bone grafts have become important materials in clinical bone repair and regeneration, but are associated with challenges such as weak osteogenic inductive activity and poor biology security. Promoting the osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs) by modifying the stiffness and chemical composition of the scaffold is an effective strategy to overcome the challenges. Previous experimental studies have shown that the osteogenic differentiation of MSC was enhanced by changing the phosphate concentration of alendronate and the Ca2+ concentration of the hydrogels. This study is supposed to optimize the concentration of phosphate and the best stiffness of hydrogel on the osteogenesis activity of encapsulated MSCs. Meanwhile, we want to fabricate the MSCs encapsulated alendronate-modified hydrogels by using 3D printing technology and evaluate its bone repair performances in vivo. The aim of this project is to develop a facile, fast and cheap scaffold material with high osteogenic activity for bone repair and regeneration in clinical applications.

人工合成骨已成为临床上重要的骨修复材料，但其仍存在骨诱导能力弱、生物安全性差等诸多缺陷。以改变支架材料的机械强度以及化学基团构成来促进MSCs的成骨分化能力是改进上述缺陷的有效方案之一。课题组前期实验中发现通过改变钙离子浓度调节水凝胶的机械强度以及通过增加阿仑膦酸盐中的双磷酸基团可以促进BMSCs的成骨分化。本研究拟探索构建水凝胶材料最佳的Ca2+浓度和磷酸基团含量，通过协同调控材料的机械强度和化学基团有效促进MSCs的成骨分化，同时利用计算机辅助的3D打印技术制备复合水凝胶组织工程骨，能够成功修复兔骨缺损模型。通过本项目的研究，希望开发一种制备简单、快速、成本低廉，但成骨高效的骨缺损修复材料，为其进一步应用于临床奠定基础。

因创伤、肿瘤、外科手术等原因造成骨缺损是常见的临床问题。严重骨缺损可导致骨延迟愈合和骨不连等并发症，致残率高。目前对于骨缺损的治疗，常用自体骨移植、异体骨移植以及人工成骨替代品等方法充填修复缺损区域，但这些方法均存在明显的弊端。因此，开发骨诱导能力强、修复能力强、任意形状的新型生物材料成为当前骨科领域所面临的新挑战。课题组通过改变支架材料的机械强度以及化学基团构成来促进MSCs的成骨分化能力是改进上述缺陷的有效方案之一。在骨缺损的应用中，常规水凝胶因其力学性能差而受到限制。因此课题组引入双网络结构，有效地增强了它们的模量。此外，普通的本体水凝胶会阻碍营养物质和细胞的运输，为了促进在骨成形术中的细胞生长和营养物质传输，因此一种高强度及弹性的可进行3D打印的任意形状的水凝胶支架，其中的钙离子有利于促进骨细胞生长，同时，3D打印可控的孔隙结构有利于营养物质传输并且能提供临床上复杂骨缺损所需要的特定形状，而水凝胶的高强度和弹性又能提供一定的力学支撑并通过形变来促进骨重建，成为一种理想的骨修复材料。我们引入丙烯酰胺高分子聚合物，不仅解决了海藻酸钠本身的打印问题，增加3D打印的可操作性同时也增加了水凝胶本身的力学性能，使得水凝胶压缩强度最大可达4兆帕，同时细胞实验验证在水凝胶支架无细胞毒性，且具有良好的成果活性，动物实验颅骨缺损模型也验证了3D打印的水凝胶支架具有良好的成骨活性，同时免疫组化实验验证支架填充修复缺损区域出现OPN和Runx2的高表达，强烈提示OPN和Runx2这两个成骨相关基因在骨修复重建中的作用。同时在8周的实验组可见材料有明显的降解过程。通过本项目的研究，课题组希望开发一种制备简单、快速、成本低廉，但成骨高效的骨缺损修复材料，为其进一步应用于临床奠定基础。项目研究成果发表在《Advanced Functional Materials》、 《Biochemical and Biophysical Research Communications》、 《Chem Biol Drug Des》、 《Oncotarget》等期刊上发表原创性论著5篇，申请获批发明专利一项。