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为解决感染性骨缺损治疗难题，四川大学华西口腔医院的研究人员开展光热敏感纳米复合水凝胶的研究。结果显示该水凝胶能有效抗菌并促进骨再生。这为感染性骨缺损治疗提供新方案，极具科研价值，推荐阅读。
四川大学华西口腔医院（State Key Laboratory of Oral Diseases & National Center for Stomatology & National Clinical Research Center for Oral Diseases, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University）的研究人员 Yanting Wu、Xi Xie 等人在《Bone Research》期刊上发表了题为 “Photothermal sensitive nanocomposite hydrogel for infectious bone defects” 的论文。这篇论文在再生医学领域，尤其是感染性骨缺损治疗方面具有重要意义，为该领域提供了全新的治疗思路和方法，有望推动相关临床治疗的重大变革。
研究背景
在临床治疗中，感染性骨缺损一直是个棘手的难题。严重创伤、复杂疾病或大范围手术切除等会导致大量骨结构缺损，影响骨骼的结构完整性和生物学功能，尤其是老年人和慢性病患者等高危人群深受其害。而病原体通过骨折处或邻近感染部位入侵引发的感染性骨缺损，不仅会触发炎症、破坏组织，还会严重阻碍骨愈合过程。
目前，临床常用的清创和长期使用抗生素的治疗方法，不仅存在严重并发症的风险，还会加剧抗生素耐药性问题，导致治疗时间延长、效果不佳。为了解决这些问题，研究人员一直在探索创新的治疗策略，期望能同时实现控制感染和促进骨再生的双重目标。
此前，虽然局部药物释放机制的出现减少了全身使用抗生素带来的副作用，但仅靠抗生素无法提升支架的骨诱导能力，而且抗生素的释放往往不受控制，剂量不足。后来，研究人员尝试探索可控释放抗生素的材料，这些材料能对环境刺激（如 pH 值、温度变化或细菌酶的存在）做出反应，实现原位靶向杀菌，然而这些方法仍存在一些局限性。
关键技术方法
研究团队设计并制备了一种光热敏感的纳米复合水凝胶（GelMA/pNIPAM/pAAM/GO - PL@BBR，简称 GNAG@BBR），该水凝胶整合了温敏水凝胶平台、温和光热材料以及脉冲药物释放策略。通过控制 NIPAM 和 AAM 的比例以及 GelMA 的浓度，制备出具有特定敏感温度的 GelMA 基水凝胶，并对其进行一系列表征。利用 EDC/NHS 偶联法将 PL 接枝到 GO 上制备 GO - PL，通过紫外分光光度法、原子力显微镜（AFM）等手段对其进行表征，并确定其在水凝胶中的最佳浓度。
为了评估纳米复合水凝胶的性能，研究人员进行了多种实验。如通过热循环实验观察水凝胶的体积变化，计算体积比（VR）和溶胀比（SR）；利用扫描电子显微镜（SEM）观察水凝胶的微观结构；通过机械测试系统测定水凝胶的杨氏模量和应力 - 应变曲线，评估其机械性能；采用体外药物释放实验监测水凝胶中药物的释放情况；通过共培养细菌与水凝胶，进行体外抗菌实验；利用细胞计数试剂盒 - 8（CCK - 8）和活 / 死细胞染色评估细胞活力；通过检测碱性磷酸酶（ALP）活性、茜素红染色（ARS）等实验评估成骨能力；利用人脐静脉内皮细胞（HUVECs）评估水凝胶的生物相容性和促血管生成能力；通过实时定量聚合酶链反应（qRT - PCR）和蛋白质免疫印迹（Western blot）探究成骨和血管生成的分子机制；通过小鼠皮下植入实验评估水凝胶的体内生物相容性和降解情况；在大鼠感染性颅骨缺损模型上进行体内修复实验，通过 Micro - CT 扫描、组织学染色等方法评估治疗效果。
研究结果
- GelMA/pNIPAM/pAAM（GNA）水凝胶的合成与表征：研究人员发现，随着 GelMA 浓度的增加，水凝胶的机械性能显著增强，但孔径和孔隙率减小。在光热敏感性研究中，加热至 45°C 时，所有组的孔隙率均降低，5% GelMA 组降低最为明显。20% GelMA 水凝胶展现出理想的体积变化，适合用于骨缺损修复等生物医学应用，因此被选为最佳组成。
- GO - PL 的表征：通过紫外分光光度法证实了 GO - PL 的成功合成，AFM 观察了其形态特征。GO - PL 的 zeta 电位为 + 20.9 mV，粒径略小于 GO，且 PDI 从 0.492 降至 0.197，表明其分散性更好。在水凝胶中，0.25% 的 GO - PL 浓度能使水凝胶在温和光热治疗（PTT）中达到 40 - 43°C 的理想温度范围，且经过五次光热循环测试，其效率保持一致。
- 纳米复合水凝胶的表征：添加 GO - PL 后，水凝胶颜色发生变化，但孔径、体积比和溶胀比无显著差异。温和 PTT 可诱导水凝胶孔径发生显著变化，表明 GO - PL 调节了水凝胶的热响应性。SEM 观察显示近红外（NIR）处理后水凝胶微观结构保持完整，机械性能略有增强，杨氏模量基本不变。
- 药物释放：GNAG@BBR 水凝胶在 7 天内的药物释放研究表明，在最初 24 小时内，约 60% 的黄连素（BBR）释放出来，且脉冲释放与 BBR 对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的最小抑菌浓度一致。这意味着在体内应用时，BBR 在最初 24 小时能在抑菌浓度环境中最大限度地发挥抗菌作用，随后较低浓度的 BBR 有助于炎症后的骨修复。与使用半透膜的对照组相比，GNAG@BBR 水凝胶表现出脉冲式 BBR 释放，增强了修复骨缺损的潜力。
- 抗菌实验：体外抗菌实验表明，添加 BBR 的分散液和水凝胶均能有效抑制细菌生长。温和光和热的抗菌效果微弱，而 BBR 与 NIR 光联合作用（GNAG@BBR + NIR 组）可显著增强抗菌效果，对金黄色葡萄球菌的抑制率达到 100%，该组的活 / 死细菌染色和 SEM 观察结果也证实了其卓越的抗菌功效。
- 细胞活力：在成骨细胞分化研究中，成功提取了大鼠骨髓间充质干细胞（BMSCs）。活 / 死细胞染色和 CCK - 8 实验表明，GNAG 组细胞活性与对照组一致，在第 5 天，虽高浓度浸出液会使细胞活性略有下降，但仍在可接受范围内。
- BMSCs 与纳米复合水凝胶的成骨实验：通过评估 ALP 活性和 ARS 染色，研究发现 GNAG@BBR 组在第 3 天促进 ALP 表达，优先发挥抗菌作用，第 7 天随着 BBR 持续释放浓度降低，促进成骨作用更明显。到第 21 天，GNAG + NIR 组比 GNAG@BBR 组形成更多钙结节，表明温和 PTT 更有利于促进成骨。
- 纳米复合水凝胶对 HUVECs 生物相容性和血管生成的影响：利用 HUVECs 进行的实验显示，纳米复合水凝胶对细胞活力无不良影响。GNAG + NIR 和 GNAG@BBR + NIR 组的 HUVECs 迁移能力更强，且纳米复合水凝胶联合温和 PTT 最有利于血管生成，为细胞存活和血管形成提供了良好环境。
- 成骨和血管生成的机制研究：qRT - PCR 分析和 Western blot 实验表明，BBR 和温和 PTT 可显著增强与成骨相关的基因表达，温和 PTT 还可调节 hsp 基因表达，通过 p - ERK 信号通路促进 BMSCs 向成骨细胞分化。在血管生成方面，GNAG 水凝胶联合 PTT 可上调与血管生成相关的基因和蛋白表达，包括 angiogene、hif - 1α、kdr 和 vegfa 等，激活多个血管生成相关信号通路，促进血管化，支持骨再生。
- GNAG 在体内的降解：将 GNAG 皮下植入小鼠体内，通过 HE 染色观察发现，与对照组相比，植入水凝胶后小鼠主要器官无明显差异，表明其具有良好的生物相容性和潜在的临床安全性。
- 大鼠体内感染性颅骨缺损修复：在大鼠感染性颅骨缺损模型实验中，与未感染组相比，感染组骨丢失更严重，细菌菌落数更多。治疗后，含 BBR 的组细菌存活率显著降低，GNAG@BBR + NIR 组术后 3 天几乎无细菌菌落。Micro - CT 检查显示，GNAG + NIR 组骨再生效果优越，GNAG@BBR 和 GNAG@BBR + NIR 组无破坏性骨模式，表明水凝胶具有抗菌性能，有助于保护骨结构。组织学染色结果也证实，PTT 治疗组新骨形成明显，GNAG@BBR + NIR 组在促进骨修复和血管生成方面效果最佳。
研究结论与讨论
本研究成功制备了光热敏感的纳米复合水凝胶系统，在大鼠感染性骨缺损模型中，该系统在控制感染和促进骨再生方面展现出显著疗效。研究创新性地将光热效应与可控药物释放机制相结合，利用温和 PTT 触发脉冲药物释放，增强了水凝胶的骨诱导性，有效促进了骨再生。
在骨修复过程中，成骨、血管化和神经修复是关键因素，其中血管生成是骨修复的重要前提和促进因素，而控制感染对成骨也至关重要。本研究选用 BBR，正是看中其抗菌和促进骨再生的双重特性。同时，研究发现 40 - 43°C 的适度光热能量可显著促进大鼠颅骨缺损修复，将温和 PTT 与光热诱导的脉冲药物释放相结合，HSP70 等热休克蛋白在其中发挥了重要作用，其通过 p - ERK 信号通路促进成骨分化。此外，光热刺激还能增强 HUVECs 中与血管生成相关基因的表达，促进血管生成和细胞迁移，为骨再生提供必要的营养和氧气。
本研究不仅揭示了纳米复合水凝胶促进骨再生和血管生成的分子机制，还为感染性骨缺损的治疗提供了一种创新且有效的解决方案。这种水凝胶在大鼠颅骨缺损修复中表现卓越，有望为组织工程和再生医学领域带来新的突破，推动相关临床治疗技术的发展，为患者带来新的希望 。
