硫酸软骨素基生物矿化水凝胶用于骨组织工程

骨移植术被广泛应用于临床骨科手术中，以增强骨骼再生能力。通常，骨组织工程一般利用生物可降解支架填补骨缺损部位，且该类支架能够在体内招募无机成分并增强成骨分化。为了进一步提高生物支架的生物活性，改善支架与周围骨组织的整合性，研究者探究并制备了能够自主结合无机离子并刺激骨生物矿化的水凝胶，如基于硫酸软骨素（CS）的复合型水凝胶。CS是广泛存在于人骨中的糖胺聚糖(GAGs)，主要作用是协调成骨细胞的粘附，间接参与骨的稳态过程。

为了探究硫酸软骨素在骨形成中的作用，韩国首尔国立大学化学与生物工程学院Nathaniel S.Hwang研究团队在ACS Applied Materials & Interfacess上发表题为“Chondroitin Sulfate-Based Biomineralizing Surface Hydrogels forBone Tissue Engineering”的文章。如图1所示，研究者制备了PEGDA/MeCS基复合水凝胶，通过对硫酸软骨素进行甲基丙烯酰化修饰（图2），研究者制备得到了PEGDA-MeCS复合光固化生物墨水，用于凝胶支架的生物矿化性能研究。

图1 PEGDA-MeCS复合水凝胶的制备及生物矿化示意图

图2 PEGDA-MeCS复合水凝胶的制备及理化性能表征

研究者分别探究了不同浓度MeCS（0%-10%）下复合凝胶的溶胀性、凝胶孔隙尺寸及凝胶及软骨素酶作用下凝胶的降解行为。试验表明，随着MeCS浓度的增加，凝胶的溶胀率逐渐提升，且凝胶更易降解（图3）。

图3 PEGDA-MeCS复合水凝胶的溶胀性、孔隙尺寸、降解性能及杨氏模量测定

硫酸软骨素带有负电基团，易于亲和蛋白因子及带正电的阳离子。研究者将PEGDA-MeCS复合水凝胶浸泡于含有钙离子的PBS溶液中以探究凝胶对Ca2+和磷酸根离子的亲和性。X射线光电子能谱表明，Ca2+和磷酸根离子对凝胶的结合能随着MeCS含量的增加而增加。通过钙离子荧光探针检测凝胶的游离钙离子，游离Ca2+的浓度随MeCS浓度的增加而减小。与此相反，高浓度MeCS凝胶中的游离磷酸根离子明显高于低浓度凝胶组（图4）。

图4 PEGDA-MeCS复合水凝胶对钙离子和磷酸根离子的亲和性评价

基于硫酸软骨素对钙离子的强亲和性，研究者利用X射线能谱分析(EDS)仪器分析了PEGDA-MeCS复合水凝胶表面形成的白色颗粒物。研究表明，随着MeCS浓度的增加，水凝胶表面的磷酸根离子和钙离子浓度逐渐增多。为了证实这些白色颗粒沉积物是否为磷酸钙（CaP）衍生物，研究者对比了含MeCS组分的空白凝胶组，含量为5%的MeCS凝胶组的凝胶表面较为粗糙，且高分辨透射电镜（HR-TEM）检测表明凝胶表面形成的CaP含有羟基磷灰石（HAP）的结晶结构。综上试验表明，PEGDA-MeCS复合水凝胶能够诱导HAP的形成（图5）。

图5 体外PEGDA-MeCS复合水凝胶的CaP形成性能评价

为了检测水凝胶的生物相容性，研究着将人扁桃体间充质干细胞(hTMSC)三维培养于PEGDA-MeCS复合水凝胶中，活死染色试验表明凝胶对细胞的生物活性能维持在84.8%。且成骨特异性基因（成骨特异性转录因子（RUNX2）、骨钙素（OCN）、碱性磷酸酶（ALP）及I型胶原（COL I）)的表达量明显高于不含MeCS的凝胶空白组（图6）。

图6 体外PEGDA-MeCS复合水凝胶的生物相容性和成骨性能评价

为了探究水凝胶在体内的成骨性能，研究者将负载hTMSC的水凝胶支架植入至4mm直径颅骨缺损的BALB/c小鼠体内。经过8周的培养后， Micro-CT扫描仪检测结果表明MeCS含量为5%和10%的复合凝胶组的新生骨体积明显高于对照组。HE和Masson染色试验表明，MeCS含量为10%的复合凝胶与原生骨的整合性优于其他组，且细胞的浸润性较好。I型胶原的免疫染色表明，MeCS含量为10%的复合凝胶中胶原均匀分布于骨缺损部位，而MeCS含量为0%和1%的复合凝胶组中的胶原仅分布于凝胶表面（图7）。

图7 体内PEGDA-MeCS复合水凝胶诱导成骨性能评价

综上，基于硫酸软骨素与钙离子和磷酸根离子之间较好的亲和性，研究者制备得到了光固化的PEGDA-MeCS复合水凝胶，该复合凝胶提供了良好的成骨微环境。且体内外试验表明，随着MeCS含量的增加，该复合凝胶的生物矿化和诱导成骨分化能力逐渐增强。这种基于PEGDA-MeCS的生物矿化水凝胶提供了一种骨矿化及骨再生临床应用中的潜在载体。

信息来源: EngineeringForLife

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