南大学罗丙红教授团队《Compos. Part B-Eng.》：黑磷纳米片协同光热效应促细胞矿化和骨再生

2024-03-12 来源：高分子科技

天然骨是一种高度矿化的有机/无机复合材料，通过液晶胶原纤维网络这一各向异性有机模板调控钙磷矿物的沉积和矿化而形成。然而，设计具有各向异性以及足够可用成核位点的有机模板来引导矿化和促成骨仍然是一个艰巨的挑战。近日，暨南大学化学与材料学院罗丙红教授团队以各向异性液晶水凝胶为基质，引入LDH@BP作为磷酸盐矿化成核位点和光热剂，构建了一类基于液晶相、磷酸盐矿化成核位点以及温和热效应协同促进细胞矿化和骨再生的复合水凝胶骨修复材料（图1）。

图1 复合水凝胶骨修复材料的设计思路与成骨活性

该团队首先制备了一种液晶水凝胶基质（LCgel），然后在水凝胶基质中引入层状双氢氧化物（LDH）包载的黑磷纳米片（BP）(LDH@BP)，制备了一种全新的复合水凝胶（LCgel/LDH@BP）。其中，BP在生理环境下氧化降解产生的磷酸根阴离子可作为矿化成核位点，且在近红外光（NIR）照射下产生温和热效应促进细胞矿化，而且，该研究首次利用具有良好生物活性的LDH负载BP，解决BP光热稳定性差的问题（图2）。该复合水凝胶不仅提供了一种具有液晶相各向异性的矿化有机模板，而且具有NIR响应性P和Mg²⁺释放特性，以及40~42 ℃的光热稳定性（图3）。

图2 BP和LDH@BP的制备与理化性能

图3 LCgel/LDH@BP的制备与理化性能

体外细胞实验表明，LCgel/LDH@BP-NIR可上调骨髓间充质干细胞（BMSC）的碱性磷酸酶活性、矿化钙结节水平以及成骨基因（CoL-I, OCN, Runx2）表达（图4）。进一步探究LCgel/LDH@BP-NIR诱导成骨活性的分子机制，结果表明，LCgel/LDH@BP-NIR中BP介导的温和热效应可激活细胞的热休克反应，有效上调细胞的HSP70，以及其下游的调控因子ERK2和β-catenin的表达，并基于ERK-Wnt/β-catenin信号通路促进细胞矿化及其介导的骨再生（图5）。

图4 复合水凝胶体外促成骨分化研究

图5 复合水凝胶的成骨机制研究

动物实验结果表明，与对照组相比，LCgel/LDH@BP-NIR周围新生成的矿化骨组织面积明显增加，且矿化骨组织分布致密、排列良好（图6）；LCgel/LDH@BP-NIR表现出上调的CoL-I和OCN阳性表达，再次表明其优异的成骨活性（图7）。

图6 液晶水凝胶的体内成骨活性

图7体内免疫组化分析

相关工作以“Abundant Nucleation Sites-Available Liquid Crystal Hydrogel Mimics Bone ECM Mineralization to Boost Osteogenesis”为题发表在 Composites Part B上（影响因子13.1）。暨南大学化学与材料学院罗丙红教授为论文唯一通讯作者，化学与材料学院2021级博士生李琳为论文第一作者。该工作得到了国家自然科学基金面上项目、省自然基金面上项目和省科技计划项目等的大力支持。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359836824001513

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（责任编辑：xu）

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