基于“活性玻璃/明胶”多糖修饰的因子时序缓释支架构建及其促血管化和骨再生机制研究

Low osteoinductivity and poor vascularization are the common problems of current bone substitutes. Incorporating growth factors with bone substitutes is considered as an efficient strategy to accelerate tissues regeneration. However, development of bone substitutes that can controlled-release growth factors with preserved bioactivity and stimulate angiogenesis/osteogenesis remains a significant challenge. Herein, this study aims to develop a spatiotemporal release system based on 2-N,6-O-sulfated chitosan (26SCS) modified mesoporous bioactive glass (MBG)/gelatin methacryloyl-based hydrogels (GelMA) scaffold. Combining the mesoporous texture of MBG with permeability property of GelMA, this scaffold can provide an initial release of VEGF with long-term BMP-2 delivery. Through the 26SCS modification, an enhanced protein bioactivity, desirable VEGF concentration gradient and better BMP-2 release kinetics of the scaffold could be achieved. For better cell penetration and tissue ingrowth, a customized hierarchically microchannel structure is further developed. On the basis of these, we will systematically explore the characteristics and underlying mechanism of bone regeneration guided by 26SCS modified MBG/GelMA-based growth factor delivery system, and illuminate the key factors in growth factor immobilization and bone healing. The concepts propose in this study might provide new thoughts on development of future orthopedic biomaterials.

骨诱导活性不足和血管化程度低是临床骨修复材料普遍存在的问题，生长因子负载是调控其活性的有效手段。然而根据骨组织的结构特点和修复过程的需要，设计制备能维持生长因子活性和时序释放、有效促进细胞快速响应、利于血管/骨组织新生和营养传输的材料是当前骨修复领域面临的重大挑战。为此，本项目拟基于“介孔活性玻璃（MBG）/明胶（GelMA）”构建多糖修饰的双因子时序缓释体系。利用MBG/GelMA的基体差异实现VEGF的早期表达和BMP-2的持续释放；利用材料表面类肝素多糖26SCS的修饰提高因子的体内活性并优化其释放行为；利用微纳结构-微流道设计，加速成骨相关细胞响应和组织新生。深入探索材料的可控制备与生长因子的优化装载，及其共同调控细胞行为和体内骨缺损修复的作用机制。重点解决生长因子载体的设计制备与材料介导的骨再生机制的探究两大科学问题。该项目的实施有望为骨引导再生材料的开发和性能研究提供新方法。

针对人工骨修复材料骨诱导活性不足、体内血管化程度低两大突出问题，本项目基于骨组织再生生理过程及多因子参与的调控模式，构建了2-N，6-O-磺化壳聚糖（2-N, 6-O-sulfated chitosan，26SCS）修饰的介孔生物活性玻璃（mesoporous bioactive glass，MBG）/明胶基水凝胶（gelatin methacryloyl-based hydrogels，GelMA）双模块因子释放体系，系统研究了材料与生长因子协同促进血管新生和骨组织再生的生物学效应。研究结果证实：利用MBG高比表面积介孔孔道和GelMA水凝胶网络，该双模块支架模拟了体内多因子时空特性，实现了人重组骨形态发生蛋白2（rhBMP-2）和血管内皮生长因子（VEGF）的逐级递送。利用26SCS与生长因子的高亲和性，该26SCS修饰的双模块因子释放支架在使用过程中不仅可优化因子活性释放行为，还可有效降低Noggin蛋白对rhBMP-2的拮抗作用，显著促进间充质干细胞成骨分化；促进内皮细胞芽体发生和动脉环内皮细胞的出芽与迁移。不仅如此，体内小鼠肌袋缺血异位成骨实验结果表明：VEGF与rhBMP-2双因子的逐级控释可实现植入初期缺血部位的血流贯通和植入后期血管化程度，显著改善组织缺血情况。SRμCT三维重建和组织学分析表明：双因子释放体系有助于提高新生骨体积，且26SCS修饰与生长因子协同诱导形成更为均匀、密集的骨小梁网络。另外，免疫荧光染色结果显示材料植入区域具有丰富的高携氧、高通透性Type H型（CD31hiEmcnhi）血管的形成，以及成骨前体细胞标志物Osterix的高表达，介导周边成骨前体细胞快速成骨分化，指导骨形成过程中的新陈代谢。上述实验结果证明26SCS修饰的双模块因子释放支架具有良好的促血管新生和骨再生应用潜力，有望为新型促血管化骨修复材料的设计、制备和机制探索提供实验依据和技术支撑。