由嚴重創傷、腫瘤切除和先天性畸形引起的大面積骨缺損的重建，歷來是全世界患者和骨科醫生面臨的嚴重問題。自體骨和異體骨移植已成為臨床治療大面積骨缺損修復的主流策略，而骨供體稀缺、大小不匹配、免疫排斥等限制了其進一步應用。
鑑於此，浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院代家勇副研究員、中國科學院長春應用化學研究所丁建勛研究員與福州大學楊黃浩教授合作，製備了由去鐵胺@聚ε-己內酯（DFO@PCL）納米顆粒、羰基錳（MnCO）納米片、明膠甲基丙烯酰水凝膠和聚乳酸/羥基磷灰石（PLA/HA）基質組成的仿生分層支架，通過促進免疫系統和骨代謝的平衡以增強骨修復。首先，具有組織良好的3D打印剛性支架模仿了皮質和松質骨組織；同時，軟水凝膠進一步賦予了細胞外基質的支架特性。MnCO與植入組織部位產生的內源性過氧化氫之間的芬頓反應觸發一氧化碳和Mn2+的持續釋放，從而通過上調巨噬細胞的M2表型顯着減輕炎症反應，巨噬細胞還分泌血管內皮生長因子以誘導血管形成。通過激活HIF-1α進一步促進血管生成。基於大量的體外和體內數據，這種骨免疫調節支架的免疫調節能力強、血管生成能力強、破骨細胞生成能力弱、成骨能力強，對促進骨再生具有深遠的影響。相關成果近期發表於《Advanced Materials》。
圖1 | 用於增強骨再生的骨免疫調節仿生分層支架的示意圖。
DFO@PCL設計和製備
DFO作為水溶性藥物通過雙乳液溶劑蒸發技術包封在PCL納米顆粒中，基於回歸計算DFO@PCL納米顆粒的載藥/包封效率分別為18.35%±0.60%和28.48%±0.65%。降解行為主要在實現組織再生和控制藥物釋放速率中起重要作用。因此，在37°C的磷酸鹽緩衝鹽水中詳細研究了複合水凝膠的體外降解動力學。實驗數據表明，隨着孵育時間的延長，獲得的水凝膠逐漸降解。同時，使用SEM進一步觀察降解過程中水凝膠表面形態和多孔結構的變化，為骨組織形成和血管向內生長提供了足夠的間隙。
圖2 | 用於增強骨再生的骨免疫調節仿生分層支架的示意圖。
DMGP支架的物理特性、細胞活力和免疫調節作用
為了設計分層結構的仿生支架，將複合水凝膠滲透到PLA-HA支架的孔隙中。進一步進行SEM分析以評估支架和水凝膠之間的界面反應。DMGP支架具有由聚合物網絡和填充在內孔內的水凝膠組成的雙相結構。研究人員進一步研究了DMGP支架對RAW 264.7巨噬細胞向M1或M2表型極化的調節作用。誘導培養12小時和3小時後，與脂多糖+DMGP支架組相比，M1標誌物（包括IL-6和TNF-α）的分泌明顯受到抑制。結果表明，具有產生CO能力的DMGP支架降低了巨噬細胞的M1極化，有利於緩解炎症反應。
圖3 | DMGP支架的物理特性、細胞活力和免疫調節作用。
體外與各種支架共培養的人臍靜脈內皮細胞的血管生成能力
眾所周知，內皮細胞的募集有助於新血管的形成，並進行了transwell試驗以確定作者開發的支架是否對人臍靜脈內皮細胞 (HUVEC) 產生趨化作用。結果證實將DFO@PCL納米顆粒和MnCO納米片引入GP支架可通過啟動細胞遷移基因的轉錄顯着增強內皮細胞的運動和遷移能力。
股骨缺損模型中的骨再生
除了免疫調節外，血管生成也是通過運輸氧氣、營養物質和骨祖細胞在骨重建過程中的關鍵步驟。結果表明，DFO和Mn2+可以通過干擾或置換催化物中的亞鐵來穩定HIF-1α，然後實現對血管生成的互補和協同作用。此外，持續釋放的DFO抑制破骨細胞分化，HA改善成骨細胞反應，進一步加速骨再生。因此，作者提出的DMGP支架在增強新再生骨形成和加速骨修復效率方面表現出良好的潛力。
圖4 | 股骨缺損模型中的骨再生。
結論：作者製備了一種具有仿生分層微觀結構的骨免疫調節DMGP混合支架，以在大鼠股骨CSD模型中實現有效的骨再生。植入組織部位富含H2O2的微環境有效地觸發了CO釋放和Mn2+的產生，從而刺激巨噬細胞的M2極化並減輕炎症反應。此外，M2巨噬細胞分泌VEGF等因子促進血管形成。而DFO和Mn2+阻斷了HIF-1α的降解並啟動了低氧微環境，從而進一步增強了新生血管的形成。同時，DFO抑制破骨細胞分化，並與HA的骨誘導活性協同促進新骨形成。總體而言，這種具有良好骨免疫調節特性的3D打印支架在臨床上具有用於修復相當大的節段性骨缺損的潛力。
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