动态交联水凝胶--镁/硅控释微球体系时序调控软骨内成骨的研究
目前，临床上作为金标准的自体骨移植存在供体部位感染和来源有限的问题，无法满足大块骨缺损重建的临床需要。因此临床上需要利用人工支架和细胞通过骨组织工程手段来实现骨缺损的再生修复。当前骨组织工程策略通常聚焦于通过诱导3D支架上的间充质干细胞(MSCs)向骨细胞分化形成新骨，这是一种侧重于膜内骨化机理(IMO)的修复过程。然而，这种方式往往会在缺损周围形成钙化层，阻碍细胞和血管向支架内生长，常导致骨缺损核心部位因缺乏足够的血供和营养物质而退化，这不利于大块骨缺损的修复和功能重建。 从骨发育工程出发，能模拟软骨内骨化(ECO)过程的细胞支架有望规避传统IMO途径的不利因素，其机制是通过先重塑软骨模板，再血管化诱导软骨细胞肥大，然后萌发骨化中心逐渐形成新骨，这个过程可避免具有促成骨活性支架高度矿化对细胞迁移和代谢造成的阻碍。因此，理想的模拟ECO机制成骨的组织工程支架应当具有时序调控细胞分化的能力,通过材料体系优化和促成血管活性因子的可控释放,从而匹配细胞成软骨分化、软骨细胞肥大化和成骨分化三个阶段的需求。 本论文研究设计了一种共价/主客体双交联水凝胶体系，负载可控释放Mg2+/Si4+的微球，通过体外细胞培养、皮下植入和原位骨缺损修复等表征，证实了具有时序调控功能并模拟ECO成骨机制的支架体系，可显著提高骨再生修复效果。具体研究工作包括:(1)以明胶(Gel)和透明质酸(HA)作为水凝胶的基体材料，通过改性引入丙烯酸酯侧基和携带环糊精的功能分子，利用光交联和“主-客体”相互作用，分别制备出共价网络水凝胶(G-HA)和共价/动态键双网络水凝胶(G-HA-CS);(2)在水凝胶中引入具有促成软骨分化的硫酸软骨素(CS)进一步得到G-HA-CS和GCD-HA-CS水凝胶;(3)采用乳液法制备含有纳米MgO/粘土的聚(乳酸-羟基乙酸)(PLGA)微球(M),并分散到水凝胶中得到G-HA-CS-M和GCD-30HA-CS-M;(4)利用CS从水凝胶的快速释放和Mg2+/Si4+从微球的持续释放的特点，时序性调控细胞分化行为;(5)将骨髓间充质干细胞(BMSCs)包埋在水凝胶中，通过体外培养对细胞的增殖、成软骨/肥大/成骨分化行为进行了系统表征;(6)将负载BMSCs的水凝胶植入大鼠皮下和股骨远端缺损中，通过动物体内实验评价具有模拟ECO机制成骨的动态交联水凝胶/离子控释微球体系的有效性。 研究结果表明，所有水凝胶支架材料具有良好的力学性能和稳定性,支持细胞存活并利于细胞生长，生物相容性优异。其中，在共价交联和双交联的水凝胶在总体交联度相似的情况下，双交联水凝胶表现出更加优异的应力松弛和细胞自适应能力，更利于细胞在凝胶中的迁移与铺展;添加了 CS的体系表现出更强的促成软骨分化能力;Mg2+和 Si4+的释放比例控制在1∶2,缓慢释放Mg2+的体系可见到更多血管生成，且微球中粘土成分带来的Si4+释放，与Mg2+共同促进了矿化沉积和Ⅰ型胶原分泌。由此,集合了多重优势因素的GCD-30HA-CS-M水凝胶，显示出对成软骨、软骨肥大化和成骨分化的次第调控效应，在原位成骨评价动物实验中呈现出比其他组更显著的成骨优势(术后8周，新生骨体积59.5±4.2％)。 综上，本论文制备出一种模拟ECO成骨机制、可时序调控成软骨分化、血管化和成骨分化的骨组织工程支架体系，以具有共价/动态双交联网络的水凝胶作为软骨模板形成的基质材料，以可缓释成血管和促矿化活性成分的微球实现对骨化的调控，被证实是一种可显著提高骨再生修复效果的可行策略。
动态交联水凝胶;镁离子负载;硅离子负载;时序调控;软骨内成骨;力学性能;稳定性
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
蔡晴
2023
中文
R318.08
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）