文獻(xiàn)摘要
四川大學(xué)華西醫(yī)院骨科及骨科研究所、四川省勞模工匠人才創(chuàng)新工坊等單位的研究成果"Nanosilicate-reinforced GelMA-PEGDA hydrogel promotes angiogenesis for bone regeneration"（納米硅酸鹽增強(qiáng)GelMA-PEGDA水凝膠促進(jìn)骨再生血管生成）在雜志《International Journal of Biological Macromolecules》上發(fā)表。平生公司的離活一體CT（NEMO）在論文中提供了大鼠顱骨的形態(tài)圖像和定量分析。

該論文的通訊作者為屠重棋教授，第一作者為龍靜俊嬌博士。

文獻(xiàn)摘要

背景：骨組織工程已成為解決骨折關(guān)鍵臨床需求的關(guān)鍵領(lǐng)域。本研究的重點(diǎn)是將具有生物相容性的GelMA大分子與合成PEGDA協(xié)同作用，并用納米硅酸鹽（SN）增強(qiáng)其復(fù)合水凝膠。SN的加入引入了重要的微量元素，如硅、鎂和鋰，促進(jìn)血管生成和骨生成。表征表明，PEGDA顯著增強(qiáng)了復(fù)合水凝膠的穩(wěn)定性，而SN進(jìn)一步增強(qiáng)了GelMA-PEGDA-SN（GPS）水凝膠的力學(xué)完整性。細(xì)胞研究表明，GPS可促進(jìn)細(xì)胞增殖和遷移、血管生成性VEGF/eNOS表達(dá)和成骨分化。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，GPS水凝膠可有效促進(jìn)顱骨骨愈合，其中GPS-2配方（2% SN）具有更好的骨覆蓋和增加血管形成。成骨形成和血管生成標(biāo)志物CD31的評(píng)估證實(shí)了GPS水凝膠的綜合骨再生潛力。這些發(fā)現(xiàn)突出了GPS水凝膠在促進(jìn)血管生成促進(jìn)骨愈合方面的重要前景。

實(shí)驗(yàn)方法

Micro CT掃描

為了研究支架對(duì)血管生成和成骨的影響，作者選用了12只體重220-240 g的2月齡雌性SD大鼠。將大鼠隨機(jī)分為5組：i)空白（未處理）；ii) G4P6（填充G4P6樣品）；iii) GPS-2（填充GPS-2樣本）。所有大鼠均用異氟醚麻醉，用于術(shù)前誘導(dǎo)和術(shù)中維持。在雙側(cè)顱骨中創(chuàng)建臨界尺寸的缺陷（直徑6毫米），去除骨膜，并植入相應(yīng)的材料。隨后用生理鹽水徹底沖洗手術(shù)創(chuàng)面并縫合。術(shù)后2天肌內(nèi)注射青霉素鈉控制炎癥。

8周后處死動(dòng)物，使用Micro-CT（平生醫(yī)療科技有限公司，NMC-200, NEMO Micro CT）評(píng)估骨愈合效果，使用Avatar軟件（平生醫(yī)療科技有限公司）進(jìn)行重建和定量分析。定量分析包括骨礦物質(zhì)密度（BMD）、骨體積/組織體積（BV/TV）、小梁厚度(Tb.Th)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

SN的摻入具有促進(jìn)骨生成和血管生成的潛力。SN的降解產(chǎn)物，如正硅酸（Si(OH)4）、Mg2+、鋰等，可直接刺激成骨蛋白的表達(dá)。為了進(jìn)一步評(píng)估水凝膠再生骨和促進(jìn)血管形成的能力，將水凝膠標(biāo)本植入SD大鼠兩側(cè)臨界尺寸的顱骨缺損。影像學(xué)和組織學(xué)評(píng)估定量評(píng)估缺損部位的新骨形成。8周時(shí)，與G4P6組和Blank組相比，GPS-2組骨再生明顯增加（圖6A）。具有新骨長(zhǎng)入的水凝膠的三維重建二進(jìn)制微CT圖像顯示，GPS-2組的缺損中骨形成更多。此外，GPS-2組的骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）（33%）比空白組（11%）高3倍（圖6E）。與其他組相比，GPS-2組也表現(xiàn)出更高的骨小梁厚度（Tb.Th）、骨礦物質(zhì)密度（BMD）和新骨面積（圖6E）。這些結(jié)果表明，SN增強(qiáng)水凝膠在早期階段有效激活骨再生。

圖6：第8周體內(nèi)評(píng)價(jià)：(A)、(E)顯微CT重建顱骨缺損的代表性圖像及定量分析

使用結(jié)論

骨的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以鈣化區(qū)域與血管網(wǎng)絡(luò)交織為特征，需要特殊的環(huán)境來(lái)支持血管生成和成骨。在我們的研究中，作者開(kāi)發(fā)了一種基于GelMA-PEGDA的水凝膠基質(zhì)，在皂礦衍生的粘土SN中強(qiáng)化，提高了機(jī)械強(qiáng)度并延緩了降解。SN的分解產(chǎn)物，如鎂、正硅酸和鋰礦物，有助于促進(jìn)血管和骨再生。體外研究表明，GPS水凝膠可顯著促進(jìn)血管源性HUVECs、成骨性BMSCs和MC3T3-E1細(xì)胞的遷移、增殖和分化。同樣，骨導(dǎo)電性SN增強(qiáng)GP復(fù)合材料也能有效促進(jìn)顱骨缺損大鼠骨再生。然而，本研究的一個(gè)局限性是對(duì)SN中的每種微量元素（如Mg， Li, Si）如何影響血管形成和骨再生的理解不完整。此外，目前尚不清楚這些元素的不同濃度是否會(huì)導(dǎo)致骨生成的改善，這需要在未來(lái)的研究中進(jìn)一步調(diào)查�？傮w而言，本研究使用SN增強(qiáng)GelMA-PEGDA水凝膠，并為血管生成和成骨提供關(guān)鍵的微量元素，可能為骨再生材料設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的見(jiàn)解。

使用設(shè)備

                                  Micro CT (型號(hào)：NEMO) (平生醫(yī)療科技)

                                          影像軟件：Avatar（平生醫(yī)療科技）