骨組織工程支架被認(rèn)為是解決快速增長的骨植入物需求的一種有前途的策略，但開發(fā)能夠模仿骨細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)并具有合適的機(jī)械性能和多種生物活性的支架仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。近日，暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院羅丙紅教授團(tuán)隊(duì)以改性木材作為基體，通過聚多巴胺（PDA）在其表面上修飾殼聚糖季銨鹽（CQS）和二甲基草酰甘氨酸（DMOG），開發(fā)了一種具有各向異性多孔結(jié)構(gòu)、高彈性、以及良好的抗菌、成骨和血管生成活性的木材衍生復(fù)合支架（圖1）。同時，在這項(xiàng)研究中，作者還發(fā)現(xiàn)活性DMOG可以和支架的力學(xué)特性協(xié)同增強(qiáng)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）中YAP/TAZ的表達(dá)，從而有效促進(jìn)成骨分化。相關(guān)工作發(fā)表在Advanced Healthcare Materials上（影響因子11.092）。暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院羅丙紅教授為論文唯一通訊作者，化學(xué)與材料學(xué)院2020級研究生陳嘉晴為論文第一作者。
眾所周知，骨ECM由高度有序的交聯(lián)膠原纖維陣列組成，表現(xiàn)出典型的各向異性力學(xué)特性和多孔結(jié)構(gòu)。同時，具有類骨ECM各向異性多孔結(jié)構(gòu)的支架無疑有利于營養(yǎng)物質(zhì)的輸送、細(xì)胞的遷移和排列，并能夠?yàn)檠艿男纬商峁┳銐虻目臻g。此外，適當(dāng)?shù)膹椥詫墙M織工程支架也具有重要意義，不僅可以影響細(xì)胞的成骨分化行為，也影響骨修復(fù)支架的實(shí)際應(yīng)用。因此，設(shè)計一種具有類骨細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)、合適的力學(xué)性能和生物學(xué)功能的支架有著重要意義。
圖1 木材衍生復(fù)合支架的設(shè)計思路和生物活性
天然木材有著與天然骨骼非常相似的多尺度層次結(jié)構(gòu)，而且木材中取向的纖維素纖維通道有利于水和營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸。此外，經(jīng)過堿性溶液改性后的天然木材硬度下降，并具有良好的柔韌性和彈性。以該改性木材為基體制備的木材衍生復(fù)合支架有著良好的壓縮性能，同時，它可以在10%的恒定應(yīng)變下承受200次壓縮/釋放循環(huán)，并在壓力釋放后迅速恢復(fù)其原始形狀，而且，與第1次循環(huán)相比，第200次循環(huán)的最大應(yīng)變沒有明顯下降（圖1）。
圖2 木材衍生復(fù)合支架的壓縮性能
體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，該木材衍生復(fù)合支架不僅能夠有效促進(jìn)BMSCs的堿性磷酸酶分泌和鈣結(jié)節(jié)形成，還可以上調(diào)BMSCs中成骨相關(guān)基因的表達(dá)，具有優(yōu)異的成骨活性。從機(jī)理上分析，一方面，該木材衍生復(fù)合支架的各向異性和彈性基體可通過調(diào)節(jié)細(xì)胞中YAP/TAZ轉(zhuǎn)錄因子的活性來影響細(xì)胞鋪展黏附和成骨分化，另一方面，DMOG可以通過抑制細(xì)胞內(nèi)脯氨酰羥化酶（PHDs）的活性來阻止缺氧誘導(dǎo)因子（HIF-1α）的降解，在正常氧張力下激活細(xì)胞內(nèi)的HIF-1α并誘導(dǎo)其下游基因表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞的成骨分化。另外，作者還發(fā)現(xiàn)活性DMOG可以通過上調(diào)BMSCs中的Runx-2來進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞中YAP/TAZ的表達(dá)（圖3）。
圖3木材衍生復(fù)合支架促進(jìn)BMSCs成骨分化
之后，作者探究了所制備木材衍生復(fù)合支架的成血管活性，結(jié)果表明，該木材衍生復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出良好的促進(jìn)雞胚絨毛尿囊膜模型（CAM）血管生成的能力，而且可以有效誘導(dǎo)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）的小管形成和HUVECs中血管生成相關(guān)基因的表達(dá)，具有良好的促血管生成活性（圖4）。
圖4 木材衍生復(fù)合支架的促血管生成活性
作者還提到，天然藥物DMOG可以協(xié)同支架的力學(xué)特性增強(qiáng)BMSCs中YAP/TAZ的表達(dá)，從而高效促進(jìn)BMSCs的成骨分化。這種木材衍生的新型復(fù)合支架具有優(yōu)異的彈性、結(jié)構(gòu)與力學(xué)上的各向異性以及良好的抗菌、成骨和血管生成特性，有望為骨修復(fù)的治療提供一種全新的材料。
該工作得到了國家面上項(xiàng)目、省面上項(xiàng)目和省科技計劃項(xiàng)目等的大力支持。
論文全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adhm.202300122
