北京纳米能源所蒲雄/北大口腔医院李峥 AFM：两性离子水凝胶通过调节代谢反应促进骨再生

2023-12-07 来源：高分子科技

由创伤、肿瘤、劳损、骨关节炎等因素导致的骨缺损病变在生活中日益普遍，在众多治疗手段中，例如骨移植、膜诱导再生、基因治疗和骨组织工程等等，骨组织再生工程由于手术难度较小和修复效果显著而受到研究者们的广泛关注。骨组织工程的关键在于调控干细胞的定向分化，从而促进骨再生，但是如何开发理想的骨组织再生材料，仍面临着巨大的挑战。

机理图1 可植入两性离子水凝胶促进骨再生

近期，中科院北京纳米能源所蒲雄研究员团队联合北大口腔医院李峥博士，合成了以甲基丙烯酸化磺基甜菜碱（DMAPS）和丙烯酰化明胶（GelMA）为基体的可植入聚两性离子水凝胶支架，该聚两性离子水凝胶的力学性能显著增强，适用于骨组织缺损的修复应用（机理图1）。同时，以聚阴离子纤维（PAC）和聚二甲基二烯氯化铵（PDAC）为对照，分别观察三种不同电荷性质水凝胶支架对大鼠股骨缺损的修复作用（图1）。该工作证明了两性离子水凝胶可以通过驱动异质性来调节与纤连蛋白（FnIII7）的结合和代谢反应。同时，细胞-基质相互作用、骨髓间充质干细胞（BMSCs）募集和成骨分化显著增强，炎症受到抑制，最终导致成骨发生显著改变（图2、3）。这项研究确定了两性离子水凝胶在骨组织修复和未来的临床转化应用中的重要作用。相关研究工作以题为“Metabolic Response Modulations by Zwitterionic Hydrogels for Achieving Promoted Bone Regeneration”发表在国际顶级学术期刊Advanced Functional Materials（IF=19.0）上。文章第一作者是博士研究生李隆伟，通讯作者为蒲雄研究员和李峥博士。该研究得到国家自然科学基金和口腔疾病国家重点实验室开放课题的支持。

图1 不同电荷属性水凝胶的骨修复效果

图2 不同电荷属性水凝胶的骨修复病理分析

图3 两性离子水凝胶诱导成骨的代谢物表达谱

该工作是团队近期关于两性离子聚合物材料应用与组织修复相关研究的最新进展之一。两性离子聚合物材料由于其特殊的电荷性质和官能团结构的可设计性，在生物医药、柔性电子和能量存储转化等众多领域都有广泛应用。然而，不同应用领域对两性离子聚合物的材料性能要求不尽相同，并且化学结构与材料性能的关系仍不够明确，因此，针对特定应用场景设计功能化的两性离子聚合物显得尤为重要。基于以上挑战，蒲雄课题组过去两年中开发了用于锌/聚苯胺双离子电池的两性离子凝胶电解质（J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 24325）和用于柔性电子领域的聚两性离子弹性体（J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 24581）。李峥博士团队近年来聚焦于能量代谢调控骨再生的研究，系统解析了糖代谢关键酶在二维和三维调控成骨分化的关键信号通路（Stem Cells, 2019, 37(12): 1542-1555;Bioactive Materials, 2022, 18:492-506；International Journal of Oral Science, 2022, 14:54）。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202309594

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（责任编辑：xu）

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