来源：「高分子材料科学」微信公众号
牙齿脱落会导致不良状况，包括上颌窦气化，增加牙根尖，牙齿移位至窦腔或上颌窦会增加污染风险，这是牙科临床实践中常见的并发症。因此，植入骨整型生物材料已在牙科界引起广泛关注。
英国Alvaro教授在《Advanced Material》上报道了“Growth-Factor Free Multicomponent Nanocomposite Hydrogels That Stimulate Bone Formation”。作者开发了含透明质酸（HA），肽型两亲物（PAs）和合成锂皂石（Lap）多组分的自组装系统。 HA是一种在组织和器官中普遍存在的多糖，因其生物相容性和可生物降解性而常用于作生物材料。 PAs是基于自组装肽的构建基块。Lap是具有各向异性电荷分布的二维纳米硅酸盐，常用于水凝胶交联剂和流变学改性剂，用于输送药物，生长因子和抗体。文中，作者合成并表征该自组装系统，如Lap的成骨特性，PAs的信号传导和纳米纤维结构，GHK-Cu2 +肽的促血管生成，Tyr修饰的HA的生物相容性，即时凝胶化特性，骨骼再生性能。该系统利用共价（氧化偶联）和非共价（静电）键制造可注射材料。
1、设计原理
为了增强水凝胶的结构完整性和生物活性，作者设计了PA分子，通过静电相互作用与HA-Tyr共组装成纳米纤维，这些纳米纤维可促血管生成的骨连接蛋白片段（甘氨酸-组氨酸-赖氨酸（GHK-Cu2 +））。此外，Lap以提供独特的双电荷结构（纳米硅酸盐圆盘的正边缘和负面电荷）有利于与阴离子HA-Tyr和阳离子PA相互作用。该水凝胶可临时组装并植入骨骼。
图1.a）透明质酸酪胺（HA-Tyr）结构式，b）肽两亲物（GHK）结构式，c）Lap结构示。d）各种组分之间的物理交联和氧化偶联形成纳米复合水凝胶示意图。
2、水凝胶的结构，机械和物理性质
SEM表明GHK-Cu2+水凝胶为纳米纤维结构（图2a），HA-Tyr水凝胶为微孔形态（图2b），HA-Tyr-GHK-Cu2+水凝胶展现了纳米纤维和微观孔（图2c）。多组分HA-Tyr-Lap-GHK-Cu2+水凝胶结合并所有特征（图2e），且Lap在纤维表面均匀分布（图2f）。EDX分析水凝胶含有Si，Mg，Na和O（图2g）。HA-Tyr水凝胶的杨氏模量为25.03±4.00（图2h），与GHK-Cu2+共组装后，水凝胶的杨氏模量略有增加，最高可达28.18±4.32 kPa，与Lap共组装后，水凝胶的杨氏模量显着增加，可高达58.23±7.8 kPa（HA-Tyr-Lap）及63.11±8.0 kPa（HA-Tyr-Lap-GHK-Cu2+）（图2h），说明二叔胺（HA-Tyr-Tyr-HA键）与Lap形成了牢固的物理键，模量较高的水凝胶（> 30 kPa）能够促进成骨细胞表型，这些显示该水凝胶可植入并促进骨骼再生。应力松弛测试表明，所有多组分水凝胶在5分钟时表现出约55％的相似松弛曲线（图2i），这种快速的水凝胶应力松弛作用可促进间充质干细胞（MSCs）向成骨细胞的增殖和分化。水凝胶含水量对营养物和废物扩散至关重要。为了计算吸水率，将水凝胶浸入PBS中，并计算0、10、20、30和40分钟时的吸水率。HA-Tyr水凝胶在PBS中浸泡10分钟后显示出极高的溶胀率，为1680±94％，40分钟后增加到1840±87％（图2j）。所有水凝胶均显示出相对较高的平衡溶胀率，并且在水化后恢复到其原始大小（图2j）。这种水凝胶可在植入前干燥，储存，再水化。将水凝胶浸入37°C的透明质酸酶（20 U mL-1）水溶液中，HA-Tyr水凝胶在18天后完全降解，而多组分（HA-Tyr-GHK-Cu2+，HA-Tyr-Lap和HA-Tyr-Lap-GHK-Cu2+）水凝胶未被完全降解。50天后，由于Lap对蛋白质和酶的物理吸附限制了透明质酸酶对HA高分子网络的渗透，含Lap的水凝胶降解率显着降低。
图2.a）GHK-Cu2+，b）HA-Tyr，c）HA-GHK-Cu2+，d）HA-Tyr-Lap，e）HA-Tyr-Lap-GHK-Cu2+， f）HA-Tyr- Lap-GHK-Cu2+的SEM照片。g）HA-Tyr-Lap-GHK-Cu2+干凝胶的EDX元素分析。h）水凝胶的杨氏模量 。 i）水凝胶的应力松弛曲线。j）水凝胶的溶胀率。k）水凝胶的酶促降解曲线。
3、hMSCs的成骨细胞分化
图3a说明较低浓度的HA-Tyr-Lap-GHK-Cu2+具有更高的细胞增殖能力。图3b表明，在不含骨诱导因子情况下，多组分HA-Tyr-Lap GHK-Cu2+水凝胶具有刺激hMSCs细胞分化的能力。hUVECs的血管形成对于骨骼再生至关重要。含有GHK-Cu2+的水凝胶HA-Tyr-GHK-Cu2+和HA-Tyr Lap-GHK-Cu2+可触发细胞伸长和微毛细血管新生。培养1天后就出现了相关结构（图3c（iii–iv））。而接种在HA-Tyr和HA-Tyr-Lap（无GHK-Cu2+）上的细胞保持其正常的内皮表型（图3c（i–ii））。此外，5天后，血管腔结构也在含GHK-Cu2+的水凝胶上形成（图3c（vii-viii）），说明含有GHK-Cu2 +的多组分水凝胶具有明显的血管生成能力。
图3.a）细胞增殖的定量测量。b）不含骨诱导培养基的hMSC成骨分化。 c）hUVEC的CLSM图像。
4、水凝胶的体内评估
为了测试水凝胶的生物活性和体内骨再生能力，作者对鼻窦兔模型进行实验。6周和12周后，CBCT扫描显示在用水凝胶和Bio-Oss（阳性对照）处理的动物的窦中有新的骨骼形成（图4b），表明HA-Tyr-Lap-GHK-Cu2+凝胶能够促进窦内新骨的形成。与其他水凝胶和对照动物组相比，植入HA-Tyr-Lap-GHK-Cu2+水凝胶的动物形成更多的新骨骼（图4c）。
图4.a）上颌窦中新骨区域的示意图。b）CBCT扫描结果。c）局部组织学图像
文献链接：Adv. Funct. Mater. 2020, 1906205
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