锰掺杂介孔二氧化硅纳米颗粒负载双交联水凝胶促进肩袖腱-骨界面再生

本研究创新性开发了锰掺杂介孔二氧化硅纳米颗粒（Mn-MSN）负载的双交联透明质酸/聚乙二醇（HA/PEG）水凝胶（Mn-MSN@Gel），通过持续释放Si4+和Mn4+离子，同步促进骨生成（Runx2/ALP/Sox9↑）和肌腱分化（Scx/Tnmd/Col3a1↑），并调控氧化应激（Nrf2/GPX4/SOD2↑）和炎症反应（IL-10↑|TNF-α↓），在大鼠模型中显著提升腱-骨界面（TBI）的生物力学性能和组织再生能力。

　　

1 Introduction

肩袖撕裂（RCTs）是全球最常见的腱-骨损伤之一，年发病超3000万例。其修复难点在于术后无法重建天然的梯度结构（肌腱-未钙化纤维软骨-钙化纤维软骨-骨），而是形成力学性能差的纤维血管瘢痕组织。本研究针对这一临床难题，以透明质酸（HA）和聚乙二醇（PEG）为基底，通过席夫碱反应和狄尔斯-阿尔德点击化学构建双交联水凝胶（Gel），并引入锰掺杂介孔二氧化硅纳米颗粒（Mn-MSN）开发出Mn-MSN@Gel复合材料。

2 Materials and methods

材料合成方面，通过十六烷基三甲基对甲苯磺酸盐（CTATos）模板法合成MSN，再用高锰酸钾（KMnO₄）水热法制备Mn-MSN。水凝胶通过混合HA-呋喃-CHO、HA-呋喃-NH₂与马来酰亚胺化PEG（mal-PEG-mal）交联剂形成。体外实验采用大鼠骨髓间充质干细胞（rat-BMSCs）和肌腱来源干细胞（rat-TDSCs），通过CCK-8、ALP染色、qRT-PCR等评估生物学效应。体内建立大鼠肩袖修复模型，进行生物力学测试和组织学分析（H&E、Masson、甲苯胺蓝染色）。

3 Results

3.1 材料表征

XRD证实Mn-MSN中同时存在MnO₂和MnSiO₃晶相（图1A）。TEM显示MSN和Mn-MSN均具有约100 nm的球形形貌和树枝状介孔结构（图1D）。EDS图谱显示Si、O、Mn元素均匀分布（图1E）。离子释放实验表明，Mn-MSN@Gel可持续释放Si⁴⁺（累积释放量显著高于Mn⁴⁺）（图2C-D）。

3.2 力学与自修复性能

含1% Mn-MSN的水凝胶压缩模量达38.69±5.31 kPa（图3D），在50%应变下经30次循环压缩仍保持结构完整性（图3G）。流变测试显示其具有剪切稀化特性（1000%应变时粘度从1200 Pa·s降至20 Pa·s），可通过18G针头注射（图4E-F）。

3.3 生物学效应

在LPS诱导的炎症模型中，Mn-MSN@Gel使BMSC的成骨基因Rux2、ALP、Sox9表达上调1.4-1.9倍（图6A），同时激活抗氧化通路（Nrf2↑1.5倍，GPX4↑1.8倍）。对TDSC则显著抑制MMP3表达（↓31%），促进肌腱特异性标志物Scx和Tnmd表达（↑20-30%）（图6B）。

3.4 动物实验结果

术后12周，Mn-MSN@Gel组腱-骨界面的极限断裂力达32.5±7.8 N，较对照组（13.65±5.5 N）提高138%（图6F）。组织学评分（10.2±0.84 vs 对照组2.5±1.05）和番红O染色（软骨区域扩大8.5倍）证实其显著促进纤维软骨再生（图7A-D）。

4 Discussion

Mn-MSN@Gel的创新性体现在三方面：① 锰离子通过激活AMPK/Nrf2/GPX4通路缓解氧化应激；② 硅元素通过TGF-β1/Smad2,3通路抑制MMP3表达；③ 双交联网络提供力学支撑的同时，介孔结构实现离子缓释。值得注意的是，IL-6在该系统中呈现双重调控——低浓度时通过STAT3诱导IL-10发挥抗炎作用，但过量可能抑制β-catenin通路影响骨生成。

5 Conclusion

该研究为腱-骨界面再生提供了多机制协同的治疗策略：力学性能上满足早期负重需求，生物活性上同步促进骨/肌腱分化，微环境调控上兼具抗氧化和抗炎作用。未来可进一步整合生长因子（如BMP-2或bFGF）以优化修复效果。