层级结构可注射性水凝胶在骨组织工程中的应用研究

Injectable hydrogels can solidify in the tissue defect site，providing a facile，minimally invasive and inexpensive way for repairing/regenerating damaged tissues. Intensive studies were performed to develop injectable hydrogels for bone regeneration, however none of these have entered the clinical practice. One of the major reasons is that the nanoporous structure and non-osteoinductive chemical composition of the hydrogel impede the proliferation, migration, and osteogenesis of the cells. To solve this problem, we propose to develop a hierarchically structured injectable hydrogel, which contains tens-of-micrometer size pores and osteoinductive mineral nanoparticles. First, the hydrogel is assembled from functional gelatin microgels containing osteoinductive nanoparticles, and then cured by a secondary photocrosslinking. The inter-microgel space endows the hydrogels micrometer-scale, interconnected pores. To evaluate the pro-osteogenic potential of the hierarchical hydrogel, we aim to study the influence of the pore structure and mineral nanoparticles on the migration, differentiation and osteogenesis of the mesenchymal stem cells (MSCs) in vitro. Ultimately, the osteoinductive potential of the hydrogel is investigated using the rat critical size calvarial defect, to study the dependence of the bone regeneration on the pore structure and nanoparticles in the hydrogels. The proposed work provides experimental evidence for the design of injectable osteoinductive materials and lays the foundation for the further clinical translation.

可注射性水凝胶能够在组织缺损部位原位成型，结合微创手术具有组织整合性好、操作简单、损伤小和费用低的优点，是当前组织工程材料研究的重要方向。目前，可注射性水凝胶仍然没有在临床上应用于骨组织再生，其中的重要原因是水凝胶的纳米孔结构和非骨诱导性的化学组成不利于细胞的增殖、迁移和骨组织的形成。为了克服这两个缺陷，申请者提出开发一种包含连通微孔结构和骨诱导性矿化物纳米颗粒的层级结构水凝胶。首先，水凝胶由基于功能化明胶、包含骨诱导性纳米颗粒的微凝胶（大于100μm）组装而成，通过二次交联形成三维层级结构（孔径大于20μm）。为了验证水凝胶促进组织形成的能力，进一步实验研究水凝胶的微孔尺寸、纳米颗粒的种类和浓度对体外间充质干细胞增殖、分化及骨组织形成的影响。最后，通过动物实验研究水凝胶的微孔尺寸与纳米颗粒对大鼠颅骨缺损模型中骨组织再生的影响。以上研究为可注射性骨组织工程材料的设计提供了实验和理论依据。

可注射性水凝胶能够在组织缺损部位原位成型，结合微创手术具有组织整合性好、操作简单、损伤小和费用低的优点，是当前组织工程材料研究的重要方向。目前，可注射性水凝胶仍然没有在临床上应用于骨组织和其他组织再生，其中的重要原因是水凝胶的纳米孔结构和非骨诱导性的化学组成不利于细胞的增殖、迁移和组织的形成。为了克服这两个缺陷，申请者提出开发一种包含连通微孔结构和纳米结构的层级结构水凝胶。在研究成果一中，研究者开发了由基于功能化明胶纳米纤维结构微凝胶，并通过二次交联形成三维层级结构。在体外成骨实验中，水凝胶的微纳结构促进骨髓间充质干细胞的增殖、迁移和成骨分化；在体内成骨实验中，水凝胶的微纳结构促进大鼠临界尺寸颅骨缺损的修复。在研究成果二中，研究者开发了一种具有连通微孔结构和功能多肽的水凝胶海绵，与对照组相比，该水凝胶具有优异的抗菌止血性能，并在大鼠肝损伤失血模型中显著降低了流失的血量，此外该水凝胶能显著促进感染皮肤缺口的修复。以上研究结果证明，调控水凝胶的微孔结构、纳米纤维结构和分子结构能够有效提高水凝胶的生物活性，并可以应用于组织修复、抗菌止血敷料等，研究结果为生物医用水凝胶的设计和应用提供了重要的参考依据。