大范围骨缺损是威胁人类健康的重大医学难题,仿生构建适用于大范围不规则骨缺损修复的生物材料仍面临挑战。目前,基于胶原仿生矿化的骨修复策略取得了许多进展,但现有仿生矿化骨修复策略仍存在宏观机械强度不足、缺乏层级结构、矿化周期长、难以加工成型、与机体功能协同性欠佳等局限性。
针对上述局限性,受骨再生的动态生物矿化过程启发,武汉大学口腔医学院黄翠/杨宏业团队与武汉大学资源与环境科学学院陈朝吉团队通力合作,提出一种多维仿生级联修复的创新策略:通过将动态仿生矿化水凝胶与取向结构支架整合,构建具有成分仿生、结构仿生、性能仿生、生物过程仿生的多维仿生骨修复材料,为大范围骨缺损修复提供了新思路。相关工作以题为“Osteomimix: A Multidimensional Biomimetic Cascade Strategy for Bone Defect Repair”的论文发表在Advanced Materials上。该论文的第一作者为武汉大学吴小艺博士和杨宏业副教授。
Osteomimix仿生骨修复体系的设计思路如图1所示:首先揭示了自然界最丰富的生物高分子——纤维素衍生物对无定形磷酸钙镁矿化前体(AMCP)的稳定作用,证实甲基丙烯酸羧甲基纤维素钠(SCMA)稳定的AMCP(SCMA-AMCP)可介导胶原纤维内矿化。随后将SCMA-AMCP与甲基丙烯酰胺化I型胶原(ColMA)通过蓝光交联构建动态仿生自矿化凝胶(CS-AMCP)。分别使用氧化脱木素椴木(OW)作为天然来源取向结构支架,使用取向冷冻壳聚糖(Ch)作为人工合成取向支架,利用真空浸渍法将凝胶与取向支架进行整合,构建出多维仿生级联骨修复体系Osteomimix。该策略突破传统成分堆砌或结构仿生局限,深度模拟骨骼复杂生物过程、多级结构与多功能特性,为仿生骨修复提供全新范式。
图1 生物矿化启迪的多维仿生级联骨修复策略示意图研究结果显示,Osteomimix具有仿生层级结构、卓越机械性能以及自发的动态矿化性能,通过CAD/CAM技术能够进行个性化形状定制加工。该策略不仅在微观及宏观层面高度模仿骨组织的物理结构,还重现了骨组织形成过程中的局部微环境,为组织再生提供多维引导。基于体内外实验验证,这种多维仿生级联修复策略能够有效促进骨修复过程,不仅促进以胶原为主体的细胞外基质的生物矿化,同时能够为细胞行为提供必要的理化线索,实现了“非细胞介导的(cell-free)”与“细胞依赖的(cell-dependent)”两种仿生矿化途径的有机整合。该仿生策略展示了对特定组织形成过程的深入理解如何指导设计更高效、仿生的生物材料,为仿生材料的构建提供了新思路。
图2 SCMA-AMCP矿化前体的构建与表征
图3 SCMA介导ColMA仿生矿化的表征及机制探究
图4 Osteomimix的构建与表征
图5 Osteomimix体外生物学效应研究
图6 Osteomimix在体内早期骨缺损修复中的生物学效应
图7 Osteomimix在体内远期骨缺损修复中的生物学效应
图8 Osteomimix促进骨缺损修复的生物学机制
