羧基化PLGA与纳米羟基磷灰石原位共组装构建BMP-2缓释支架加速骨再生

本研究针对骨组织工程中无机纳米粒子分布不均及生长因子爆发释放的难题，通过羧基化PLGA(PLGA-COOH)与纳米羟基磷灰石(nHAP)原位共组装技术，构建了具有分级多孔结构的BMP-2缓释支架。该支架通过羧基介导的静电相互作用实现了nHAP均匀分散和BMP-2持续释放，显著促进体外成骨分化和兔尺骨临界骨缺损修复，为骨再生提供了新型策略。

　　

研究背景与意义
骨缺损修复一直是骨科临床的棘手问题，尤其是临界尺寸骨缺损（指无法自行愈合的最小骨缺损尺寸）往往需要外部干预。虽然自体骨移植是金标准，但供区并发症和伦理问题限制了其应用。骨组织工程(Bone Tissue Engineering, BTE)通过构建仿生支架为骨再生提供了新思路。天然骨由有机胶原和无机羟基磷灰石(Hydroxyapatite, HAP)组成，两者协同赋予骨组织优异的力学性能。然而，传统复合支架面临两大挑战：一是3D打印等技术对生物墨水流动性的严格要求限制了无机纳米粒子的添加量；二是物理混合易导致纳米粒子聚集，影响材料性能。此外，骨形态发生蛋白-2(Bone Morphogenetic Protein-2, BMP-2)虽能有效诱导成骨，但其爆发释放会引发炎症反应。

针对这些难题，中国人民解放军总医院第四医学中心联合清华大学材料学院的研究团队创新性地提出"三位一体"解决方案：通过羧基化改性聚乳酸-羟基乙酸共聚物(Poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA)增强与nHAP的相互作用，结合相分离/粒子沥滤法构建分级多孔支架，并利用羧基与BMP-2的静电作用实现生长因子缓释。相关成果发表在《Regenerative Biomaterials》上，为临界骨缺损修复提供了新思路。

关键技术方法
研究采用三步法构建功能支架：(1)通过开环反应合成羧基化PLGA(PLGA-COOH)，经核磁共振氢谱(¹H NMR)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证；(2)将nHAP与PLGA-COOH在1,4-二氧六环中原位共组装，通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)确认nHAP均匀分布；(3)采用相分离/粒子沥滤法制备具有大孔(309.15±7.5μm)-介孔-微孔三级结构的复合支架，孔隙率达90.2±2.2%。体外实验采用大鼠骨髓间充质干细胞(Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells, BMSCs)评估生物相容性和成骨分化能力；通过兔15mm尺骨临界缺损模型（n=45）验证体内修复效果。

主要研究结果
1. 支架制备与表征
通过羧基化改性成功制备PLGA-COOH，其¹H NMR在3.71ppm和1.23ppm出现新峰，证实羧基引入。PLGA-COOH/nHAP溶液静置15分钟仍保持均匀稳定，而PLGA/nHAP混合物出现相分离（图2I-K）。支架呈现类骨小梁的多孔结构，压缩强度达5.02±0.41 MPa，匹配松质骨力学性能（图3B-C）。

2. 矿化与药物释放性能
PLGA-COOH在模拟体液(SBF)中诱导羟基磷灰石沉积的能力显著优于PLGA（图3F-G）。得益于羧基与BMP-2的静电作用，PLGA-COOH/nHAP的BMP-2负载效率达59.44%，显著高于PLGA/nHAP(41.26%)，且缓释周期延长至15天（图5A-B）。

3. 体外成骨效应
PLGA-COOH/nHAP/BMP-2支架使BMSCs的碱性磷酸酶(Alkaline Phosphatase, ALP)活性和钙结节形成分别提高2.3倍和3.1倍（图5E-G）。qPCR显示该组Runt相关转录因子2(Runt-related transcription factor 2, Runx2)和骨钙素(Osteocalcin, OCN)基因表达最高（图5H）。

4. 体内骨修复效果
Micro-CT显示术后12周，PLGA-COOH/nHAP/BMP-2组的骨体积分数(Bone Volume/Total Volume, BV/TV)达68.7%，显著高于其他组（图6C）。组织学显示该组形成板层骨并实现髓腔再通（图7B），三点弯曲强度恢复至正常骨的76%（图6F）。

结论与展望
该研究通过分子设计-结构调控-功能整合的创新策略，实现了三大突破：(1)羧基化改性解决了nHAP分散难题；(2)分级多孔结构兼顾力学强度与生物活性；(3)静电相互作用构建的BMP-2缓释系统避免了生长因子爆发释放。这种"材料引导-生物因子协同"的双重作用机制，为复杂骨缺损修复提供了新范式。未来可进一步优化孔隙结构与生长因子释放动力学，推动临床转化。