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在干细胞辅助组织再生中，水凝胶应用广泛，但用于骨再生面临挑战。研究人员开发了具有时空编程机械性能的大孔水凝胶（SP 水凝胶）。结果显示，其能促进干细胞介导的骨再生，在兔和猪模型中效果显著，为骨再生研究带来新突破。
骨组织，作为人体的重要支撑结构，不仅维持着身体的形态和运动功能，还参与多种生理过程。然而，当遭遇严重创伤、疾病侵蚀或先天性缺陷时，骨组织的再生修复成为一大难题。传统的治疗手段，如自体骨移植，虽然具有良好的生物相容性和骨传导性，但存在供体来源有限、额外创伤等问题；异体骨移植则面临免疫排斥风险，限制了其广泛应用。随着再生医学的蓬勃发展，干细胞辅助骨再生成为极具潜力的研究方向。干细胞具有分化为多种细胞类型的能力，其中就包括负责骨形成的成骨细胞（osteoblasts），理论上能为骨修复提供源源不断的细胞来源。但在实际应用中，干细胞疗法面临诸多挑战。一方面，植入体内的干细胞难以在复杂的体内环境中成功定植和存活，多数细胞在移植后的最初几天内就因缺乏合适的黏附、增殖和功能支持环境而死亡。另一方面，引导干细胞向成骨细胞定向分化也困难重重，难以实现精准调控。
为攻克这些难题，来自南京大学、济南微生态生物医学山东实验室等机构的研究人员开展了深入研究，相关成果发表于《Nature Communications》。他们致力于开发一种新型水凝胶，期望为干细胞提供理想的微环境，促进骨再生。
研究人员运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，采用基于液 - 液相分离的软模板技术构建大孔结构，通过界面自组装刚性蛋白纤维强化孔壳。利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、激光共聚焦荧光显微镜（LCFM）等进行结构表征；运用原子力显微镜（AFM）纳米压痕技术检测水凝胶的局部机械强度；借助微计算机断层扫描（micro-CT）和组织学染色评估骨再生效果。
研究结果如下：
- 水凝胶的设计与制备：通过调节聚乙二醇（PEG）和葡聚糖的浓度，控制液 - 液相分离，以葡聚糖相为软模板形成大孔结构。添加预组装的溶菌酶纳米纤维（蛋白纤维），使其在界面自组装形成稳定的蛋白纤维壳。同时引入可聚合单体、交联剂和细胞黏附配体（如丙烯酸化的 RGD），制备出具有壳硬化大孔结构的水凝胶（SP 水凝胶）。为对比研究，还制备了无壳大孔水凝胶（NP 水凝胶）和无大孔水凝胶（NN 水凝胶）作为对照。
- 水凝胶结构表征：在 NP 和 SP 水凝胶的前驱体中观察到纳米液滴，SP 水凝胶前驱体中的纳米液滴直径更均匀。通过荧光标记和 3D 重建证实，SP 水凝胶的大孔被绿色的溶菌酶纤维壳包裹，且其大孔直径大于细胞尺寸，适合细胞包封和培养。不同批次制备的 SP 水凝胶壳厚度和孔径一致，表明该制备方法重复性良好。
- 机械和降解性能：利用 AFM 纳米压痕技术测定水凝胶的刚度，发现 SP 水凝胶的壳硬化大孔的杨氏模量显著高于基质，有利于空间细胞分化调控。SP 水凝胶在模拟体液（SBF）中具有可调节的降解速率，且在降解过程中，壳硬化大孔能为包封细胞提供持续的机械信号。
- 细胞保护免受机械损伤：将 MC3T3 - E1 细胞包封在水凝胶的壳硬化大孔中，经循环压缩实验表明，SP 水凝胶能有效保护细胞免受机械损伤，减少细胞内活性氧（ROS）的产生，且不影响细胞增殖。
- 刚性壳为成骨分化提供一致机械信号：以 SP - low、NP - low、SP - high 和 NP - high 水凝胶为模型，研究发现 SP - low 水凝胶的刚性大孔壳即使在基质刚度较低时也能促进成骨分化。通过免疫染色、实时定量逆转录聚合酶链反应（qRT - PCR）等分析进一步证实，SP 水凝胶在促进干细胞向成骨细胞分化方面表现优异。
- 兔模型中的骨再生：选用兔骨髓间充质干细胞（rBMSCs），将其包封在不同水凝胶中植入兔股骨髁骨缺损处。12 周后，micro - CT 成像和组织学评估显示，SP - low 水凝胶组的骨缺损几乎完全修复，新骨形成效果显著优于其他组，表明该水凝胶在体内能有效促进骨再生。
- 猪模型中的骨再生：在猪模型中，用猪骨髓间充质干细胞（pBMSCs）包封的 SP - low 水凝胶同样展现出良好的骨再生效果，几乎完全修复骨缺损，形成连续的皮质骨和骨组织，再次验证了 SP 水凝胶在大动物模型中的有效性。
- 体内生物相容性和降解：通过大鼠背部皮下植入实验评估 SP 水凝胶的生物相容性和降解性，结果表明其具有良好的生物相容性，且 SP - low 水凝胶在体内可逐渐降解，降解速率可能与新组织再生同步。
综上所述，本研究开发的壳硬化大孔水凝胶（SP 水凝胶）具有独特的机械性能和可调节的降解性，为干细胞介导的骨再生提供了有力支持。其大孔结构避免细胞增殖时的接触抑制，刚性孔壳提供持续机械信号并保护细胞免受机械载荷，软凝胶基质的降解可在一定程度上与新组织形成速率相匹配。在兔和猪模型中的成功应用，为骨再生治疗开辟了新途径。不过，目前研究主要集中在动物实验阶段，未来还需进一步开展临床试验，探索其在人体中的安全性和有效性，推动该技术从实验室走向临床应用，为广大骨损伤患者带来新的希望。
