负载NELL-1的GelMA-纤维蛋白原交联水凝胶能够维持骨膜稳定性，从而促进干细胞的富集和骨形成

《Materials Letters》：NELL-1-loaded GelMA-fibrinogen crosslinked hydrogel maintains periosteum stability to promote stem cell enrichment and osteogenesis

本研究开发了一种双重交联的天然蛋白水凝胶（GelMA-fibrinogen/NELL-1, GFN），通过优化物理和生物学特性稳定上颌窦膜，促进间充质干细胞增殖和分化，增强HIF-1α/TGF-β/β-catenin信号通路活性，在体内实验中形成双层皮质骨结构，为骨移植材料提供新方向。

　　
本研究针对口腔种植中骨缺损修复的难题，提出了一种新型生物活性水凝胶材料（GelMA-fibrinogen/NELL-1，简称GFN）的创新设计方案。该材料通过物理化学交联机制与生物活性因子的协同作用，旨在解决传统骨移植材料在骨再生速率、空间稳定性及信号调控方面的不足。

在材料设计层面，研究团队将GelMA（聚甲基丙烯酸甲酯-明胶复合物）与纤维蛋白原通过光交联反应形成三维网络结构。这种复合材料的物理特性通过纤维蛋白原的加入得到显著优化，其压缩模量达到133.7 kPa，与上颌窦黏膜下骨膜（MSM）的力学特性高度匹配。材料降解速率（28天内保持70%以上残留）与骨再生周期形成动态平衡，既避免过早降解导致的支撑不足，又防止材料残留影响新骨整合。

生物活性方面，材料成功实现了两种关键蛋白的协同释放机制。纤维蛋白原通过增强细胞黏附促进干细胞定植，其含有的整合素结合位点可特异性激活间充质干细胞（MSCs）的信号通路。而NELL-1蛋白通过两种作用路径发挥作用：一方面与纤维蛋白原形成协同效应，激活Wnt/β-catenin通路；另一方面通过PI3K/AKT信号轴间接增强HIF-1α的表达。这种双重调控机制使GFN材料在促进骨基质沉积方面展现出显著优势。

体外实验系统验证了材料的生物相容性。共培养实验显示，GFN组细胞活力达98.5%以上，且通过流式细胞术证实了间充质干细胞的特性（CD73+/CD90+/CD105+，CD34-/CD45-）。组织工程学评价显示，GFN组ALP活性较对照组提升2.3倍，β-catenin磷酸化水平提高1.8倍，RUNX-2等骨形成关键基因表达量增加3-5倍。特别是p-β-catenin的核定位效率达到78.6%，显著高于单一组分材料。

体内动物实验（日本大耳白兔）进一步验证了材料的多效性。通过显微CT分析发现，GFN组在8周时骨体积分数（BV/TV）达到77.8%，相当于健康骨组织的82%。值得注意的是，材料在降解过程中形成了双层的骨板结构，外层为致密骨板（模拟皮质骨），内层为多孔骨板（模拟松质骨），这种结构特性与天然骨组织的解剖结构高度吻合。Masson染色显示GFN组胶原沉积密度是对照组的2.4倍，且呈现典型的板层状排列。

材料的作用机制研究揭示了多通路协同调控网络。通过RNA测序发现，GFN组上调了包括HIF-1α（2.1倍）、TGF-β（1.8倍）和β-catenin（1.6倍）在内的关键信号分子。免疫荧光分析显示，p-β-catenin在细胞核内的积累量达到对照组的3.2倍，且通过共定位分析证实了与RUNX-2的协同作用。这种多信号通路的级联激活效应，使GFN材料在骨再生启动阶段展现出指数级促进效果。

临床转化潜力方面，研究团队创新性地将体外细胞实验与体内骨再生模型相结合。通过建立上颌窦黏膜抬升（MSFE）模型，模拟临床骨增量手术环境，发现GFN材料能有效维持黏膜稳定性，避免术后黏膜塌陷导致的骨再生失败。动物实验显示，植入GFN材料后，12周时骨再生区域完全覆盖缺损部位，新生骨的力学性能（压缩强度、弹性模量）达到天然骨组织的85%以上。

材料优势体现在三个维度：首先，纤维蛋白原的机械强化作用使水凝胶的应力松弛性能提升40%，能适应黏膜的呼吸运动产生的动态压力；其次，NELL-1的缓释特性（28天累计释放率78.3%）与骨基质矿化速率形成匹配；最后，双组分交联结构使材料在保持高孔隙率（平均112±56微米）的同时，抗压强度达到133.7 kPa，完美平衡了骨修复所需的力学支撑与生物相容性。

研究同时揭示了材料降解与骨再生的动态平衡关系。通过重量损失率监测发现，GFN材料在8周时降解率仅为12.3%，与骨矿化速率（约每周8-10%）形成精准匹配。这种可控降解特性为新生骨提供了持续的支架作用，同时避免材料残留引发炎症反应。电子显微镜观察显示，材料降解后形成的孔径分布（10-60微米为主）与成骨细胞迁移轨迹高度一致。

临床应用前景方面，研究团队提出该材料可应用于三种典型场景：1）上颌窦提升术中的骨膜支撑系统；2）骨劈开术中的骨增量填充材料；3）口腔种植体周围骨缺损的修复材料。动物实验证实，植入GFN材料后，种植体周围骨密度（BMD）在12周时达到对照组的2.3倍，且未观察到任何免疫原性反应。

未来研究方向建议从三个层面深化：1）材料改性研究，探索添加生物陶瓷颗粒（如β-TCP）以提高力学性能；2）长效化设计，开发微孔结构调控剂以延长NELL-1缓释周期至6个月；3）临床前验证，建议开展灵长类动物实验以模拟人类骨再生过程。此外，结合机器学习技术对材料性能进行多参数优化，可能进一步提升临床适用性。

该研究为骨组织工程领域提供了创新性解决方案，其核心价值在于首次实现了物理支架与生物信号分子的精准协同。通过构建"力学支撑-细胞黏附-信号激活-动态降解"四位一体的调控体系，突破了传统骨移植材料的功能局限。这种仿生骨再生微环境的构建思路，对其他组织工程领域（如软骨修复、血管生成）具有重要借鉴意义。