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研究背景：

針對(duì)上述問題，上海交通大學(xué)林秋寧研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高強(qiáng)度明膠水凝膠支架，負(fù)載羅沙司他以重塑炎癥微環(huán)境并增強(qiáng)骨質(zhì)疏松性骨修復(fù)（圖 1）。該支架采用甲基丙烯酸酯透明質(zhì)酸 (HAMA) 和鄰硝基芐基功能化明膠 (GelNB) 通過快速交聯(lián)機(jī)制合成，該機(jī)制結(jié)合了傳統(tǒng)自由基聚合與新型光觸發(fā)瞬時(shí)自由基和持久自由基偶聯(lián) (PTPC) 反應(yīng)。該支架采用數(shù)字光處理 (DLP) 3D打印制造，兼具高強(qiáng)度、生物相容性和可降解性，可促進(jìn)細(xì)胞粘附、遷移和增殖。在負(fù)載羅沙司他的情況下，支架通過激活 HIF-1α通路有效重塑炎癥微環(huán)境。這種協(xié)同方法在增強(qiáng)骨質(zhì)疏松性骨修復(fù)方面顯示出顯著的功效。該文章于2025年2月19日以“High-Strength Gelatin Hydrogel Scaffold with Drug Loading Remodels the Inflammatory Microenvironment to Enhance Osteoporotic Bone Repair”為題發(fā)表于《Advanced Materials》（DOI：10.1002/adma.202501051）。

圖1. 研究示意圖

（1）高機(jī)械性能明膠水凝膠的構(gòu)建

為保留明膠的優(yōu)勢(shì)（如生物降解性和細(xì)胞粘附性），選擇透明質(zhì)酸（HA）作為硬相材料，并采用PTPC反應(yīng)進(jìn)行交聯(lián)。該反應(yīng)有助于在水凝膠內(nèi)原位形成分散相，增強(qiáng)硬相與基質(zhì)的界面結(jié)合，從而提高關(guān)節(jié)強(qiáng)度和韌性。通過光照射GelNB、HAMA和光引發(fā)劑LAP溶液制備水凝膠。通過原子力顯微鏡（AFM）和掃描透射電子顯微鏡（STEM）表征，確認(rèn)了HA的分布與硬顆粒相對(duì)應(yīng)。調(diào)整HAMA含量以優(yōu)化機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)隨著HAMA含量增加，拉伸應(yīng)變顯著降低，楊氏模量相應(yīng)增加。GelNB凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，可承受5公斤負(fù)載，且拉伸強(qiáng)度和韌性高于普通水凝膠。GelNB凝膠在強(qiáng)度與韌性之間保持良好平衡，并且具有優(yōu)異的彈性和形狀恢復(fù)能力，能在多次拉伸后保持超過80%的強(qiáng)度。它的抗壓性能也突出，斷裂強(qiáng)度達(dá)33.8 MPa。此外，GelNB凝膠在高含水量下仍保持良好強(qiáng)度和韌性，適合作為骨質(zhì)疏松骨修復(fù)支架，展現(xiàn)出金屬、陶瓷等傳統(tǒng)材料無法比擬的優(yōu)越性能。

圖2. GelNB凝膠的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。（A）AFM評(píng)估GelNB凝膠的楊氏模量分布；（B）STEM圖像揭示了GelNB凝膠的微觀結(jié)構(gòu)；（C）具有不同HAMA含量（wt.%）的GelNB凝膠的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（D）通過（C）中的拉伸測(cè)試確定GelNB凝膠的最大應(yīng)力和韌性；（E）橫截面積為5 mm2的GelNB凝膠圖像；（F）GelNB凝膠與具有不同甲基丙烯酸酯接枝的GelMA凝膠和補(bǔ)充了HAMA的GelMA凝膠之間的應(yīng)力比較；（G）GelNB凝膠與上述凝膠之間的韌性比較；（H）GelNB凝膠與各種先前報(bào)道的明膠水凝膠的綜合強(qiáng)度和韌性對(duì)比；（I）GelNB凝膠在循環(huán)加載-卸載拉伸試驗(yàn)中的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（J）GelNB凝膠在加載-卸載循環(huán)試驗(yàn)中指定循環(huán)次數(shù)后的最大應(yīng)力和楊氏模量；（K）GelNB凝膠在壓縮試驗(yàn)中的代表性應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（L）具有不同固體含量的GelNB凝膠的最大應(yīng)力和韌性

（2）通過 3D 打印制造明膠水凝膠支架

GelNB 凝膠在提供優(yōu)異機(jī)械性能的同時(shí)，保持了卓越的細(xì)胞相容性，并且制備時(shí)間與傳統(tǒng)的GelMA凝膠相當(dāng)，且凝膠化速度很快（4秒），使其適用于DLP 3D打印等先進(jìn)制造技術(shù)。通過這種技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)成功打印了專為骨質(zhì)疏松修復(fù)設(shè)計(jì)的空心管狀支架，展現(xiàn)出GelNB凝膠優(yōu)異的自支撐性和對(duì)外力的抵抗力，能夠保持結(jié)構(gòu)完整性。GelNB 凝膠支架在生物降解性方面表現(xiàn)突出，5天內(nèi)完全降解，支持骨組織再生，并且降解時(shí)間較GelMA凝膠更長(zhǎng)，能更持久地提供藥物輸送和結(jié)構(gòu)支持。相比傳統(tǒng)聚合物支架，GelNB 支架在支持細(xì)胞粘附和遷移方面也更為優(yōu)秀，細(xì)胞在其表面均勻增殖和遷移。在大鼠植入模型中，GelNB凝膠表現(xiàn)出較低的免疫細(xì)胞浸潤(rùn)，表明其生物相容性優(yōu)于PCL和PLA?？傮w而言，GelNB凝膠結(jié)合了高機(jī)械強(qiáng)度、理想的加工性、細(xì)胞支持能力、生物降解性和組織順應(yīng)性，是骨質(zhì)疏松骨修復(fù)支架的理想材料，超越了金屬材料、合成聚合物及傳統(tǒng)GelMA凝膠的性能。

圖3 GelNB凝膠支架的制造、降解、生物相容性和細(xì)胞粘附。（A）L929細(xì)胞暴露于GelNB凝膠和GelMA凝膠的浸出液24小時(shí)后的活力；（B）GelNB凝膠的流變學(xué)分析表明，GelNB凝膠的膠凝時(shí)間（G’>G’’；G’，儲(chǔ)能模量；G’’，損耗模量）小于4秒；（C）使用GelNB凝膠制造3D打印空心管狀支架和局部放大特征；（D）使用GelNB凝膠制造的支架在扭曲和拉伸下的抵抗力；（E）GelNB凝膠和GelMA凝膠在酶溶液（膠原酶I 50 U mL?1，HAase 200 U mL?1）中的降解曲線；（F）在GelNB凝膠、PCL和PLA支架表面共培養(yǎng)時(shí)HUVEC細(xì)胞粘附性的比較；（G）GelNB凝膠、GelMA凝膠、金屬和可生物降解聚合物之間的機(jī)械性能、可加工性、柔順性、細(xì)胞粘附性、降解性和生物相容性的比較

（3）GelNB凝膠支架負(fù)載并逐漸釋放藥物，促進(jìn)骨質(zhì)疏松大鼠骨修復(fù)

該團(tuán)隊(duì)將羅沙司他添加到GelNB凝膠前體中，制備了載藥支架（Gel@Rox）并評(píng)估了其藥物釋放性能。通過劇烈攪拌將羅沙司他粉末混合進(jìn)水凝膠前體，形成均勻懸浮液后輻照固化。由于羅沙司他在中性pH下溶解度有限，預(yù)計(jì)藥物會(huì)逐漸從凝膠基質(zhì)中釋放。我們制備了不同羅沙司他濃度（0、20、40、80 mM）的Gel@Rox支架，隨著藥物濃度增加，支架變?yōu)槿辄S色，藥物形成微粒，并在第一周表現(xiàn)出穩(wěn)定的釋放。藥物釋放最高（80 mM）的支架可維持一個(gè)月，累積釋放量最大。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察藥物釋放對(duì)支架形態(tài)的影響，結(jié)果顯示Gel@Rox支架釋放藥物后保持孔隙結(jié)構(gòu)，形成分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，顯示出長(zhǎng)期藥物釋放的潛力。為了評(píng)估其骨修復(fù)效果，我們?cè)诠琴|(zhì)疏松大鼠股骨缺損模型中植入Gel@Rox支架，并在第4周和第8周通過micro-CT、H&E和Masson染色評(píng)估骨修復(fù)情況。Gel@Rox 40和Gel@Rox 80組在第4周空洞面積明顯減少，第8周進(jìn)一步減小，且骨體積（BV）和骨小梁數(shù)量（Tb.N）增加，修復(fù)效果與藥物濃度正相關(guān)。組織學(xué)染色結(jié)果顯示，Gel@Rox支架具有良好的生物相容性，并能促進(jìn)新骨生成，尤其在Gel@Rox 40和Gel@Rox 80組，纖維骨痂逐漸轉(zhuǎn)化為新骨。到第8周，Gel@Rox組顯示更多的新骨形成，并與水凝膠支架融合，展現(xiàn)出優(yōu)異的骨修復(fù)能力?；谧罴殉晒切Ч?，Gel@Rox 80支架被選為后續(xù)研究材料。

圖4 GelNB凝膠支架的藥物負(fù)載和釋放性能及其對(duì)骨質(zhì)疏松性骨修復(fù)的功效。（A）負(fù)載不同濃度羅沙司他的GelNB凝膠的形態(tài)；（B）評(píng)估不同濃度羅沙司他負(fù)載的GelNB凝膠支架的釋放性能；（C）在藥物釋放前（第0天）和在PBS中大量釋放后（第28天）捕獲負(fù)載80 mM羅沙司他的GelNB凝膠的SEM圖像；（D）在植入或不植入支架的情況下在骨質(zhì)疏松大鼠中創(chuàng)建骨缺損的過程示意圖；（E）使用各種方法在治療后第4周和第8周通過微型計(jì)算機(jī)斷層掃描（micro-CT）3D重建評(píng)估股骨缺損修復(fù)情況；對(duì)（E）中的骨體積與總體積（BV/TV）比率（F）和小梁數(shù)（Tb.N）（G）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；（H）使用各種方法對(duì)治療后第4周和第8周的骨質(zhì)疏松大鼠股骨缺損進(jìn)行H&E染色

（4）Gel@Rox支架有效重塑炎癥微環(huán)境促進(jìn)骨生成

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為Gel@Rox支架能顯著促進(jìn)骨缺損修復(fù)，主要通過調(diào)節(jié)炎癥微環(huán)境。過度和長(zhǎng)期的炎癥通常會(huì)延遲愈合，因此研究了Gel@Rox支架對(duì)炎癥因子表達(dá)和免疫細(xì)胞募集的影響。在骨質(zhì)疏松大鼠的炎癥因子TNF-α和IL-6水平的比較中，他們發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松組在四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的炎癥因子水平顯著升高，表明其炎癥狀態(tài)持續(xù)較長(zhǎng)。與Gel組相比，Gel@Rox 80支架顯著降低了整個(gè)炎癥期的TNF-α和IL-6水平。通過H&E染色分析，Gel@Rox 80組免疫細(xì)胞密度顯著下降，推測(cè)其通過降低趨化因子水平抑制免疫細(xì)胞的募集。這一機(jī)制與HIF-1α通路的激活相關(guān)，HIF-1α已知能下調(diào)趨化因子的表達(dá)。進(jìn)一步通過蛋白質(zhì)印跡和免疫熒光分析評(píng)估了M1（促炎）和M2（抗炎）巨噬細(xì)胞的極化情況。結(jié)果顯示，在Gel@Rox 80組中，M1/M2比率顯著降低，表明其有效地促進(jìn)了抗炎狀態(tài)。最后，RNA-seq和Western blot分析表明，Gel@Rox 80支架通過激活HIF-1α信號(hào)通路，有助于微環(huán)境的重塑，這一發(fā)現(xiàn)與已有研究一致。

圖5 Gel@Rox支架對(duì)骨缺損骨質(zhì)疏松大鼠炎癥微環(huán)境的影響。（A、B）使用各種方法治療后第1、4、7和10天骨缺損部位TNF-α（A）和IL-6（B）的基因表達(dá)水平；（C）免疫熒光染色顯示使用各種方法治療后第10天骨缺損部位CD68、INOS和CD163的表達(dá)水平；（D、E）損傷后第4天骨缺損部位HIF-1α信號(hào)通路基因集富集分析和熱圖分析，（D）中數(shù)據(jù)比較了骨質(zhì)疏松組和健康組（n=4），（E）中數(shù)據(jù)比較了Gel@Rox 80組和骨質(zhì)疏松組（n=4）；（F）代表性蛋白質(zhì)印跡結(jié)果顯示第1、4、7和10天骨缺損部位HIF-1α的表達(dá)水平