可注射丝素蛋白水凝胶持续释放Mg2+/Sr2+驱动根尖乳头干细胞（SCAPs）成骨分化的机制研究

本研究针对正畸治疗导致的牙槽骨缺损修复难题，开发了一种负载Mg2+/Sr2+的可注射单宁酸-丝素蛋白（TS）水凝胶。通过动态释放双离子协同激活TRPM7离子通道，显著促进SCAPs增殖、迁移及成骨分化，在动物模型中实现缺损体积100%修复。该研究为口腔硬组织再生提供了兼具生物活性和成本优势的新型材料解决方案。

　　

研究背景与科学问题

牙槽骨缺损是正畸治疗常见的并发症，传统修复方法存在效率低、成本高、易引发副作用等问题。当前生物材料领域面临双重挑战：一方面，生长因子如BMP-2虽有效但价格昂贵且可能导致异位骨形成；另一方面，镁（Mg²⁺）、锶（Sr²⁺）等生物活性离子虽具成骨潜力，但缺乏精准递送系统。根尖乳头干细胞（SCAPs）因其高增殖率和矿化能力成为理想种子细胞，但如何通过材料学手段调控其定向分化仍是未解难题。

关键技术方法

研究团队通过以下创新方法突破技术瓶颈：（1）构建单宁酸-丝素蛋白（TS）自组装水凝胶载体，实现Mg²⁺/Sr²⁺的30天缓释；（2）采用动态流变测试和¹H-NMR表征材料特性；（3）建立C57小鼠1.2mm下颌骨缺损模型验证修复效果；（4）通过siRNA沉默TRPM7基因阐明离子通道机制。

研究结果

1. 1.

   材料特性表征

   动态频率扫描显示TS-Mg/Sr水凝胶储能模量（G'）比损耗模量（G''）高两个数量级，形成稳定化学交联网络。SEM观察到Mg²⁺浓度增加使孔径扩展至100-200μm，Sr²⁺则诱导叶片状微观结构。

1. 1.

   体外生物相容性

   CCK-8检测显示Mg²⁺浓度提升显著增强SCAPs活力（72小时增殖率提高35%），Calcein-AM/PI双染证实材料无细胞毒性。

2. 2.

   协同成骨效应

   TS-Mg/Sr-1.5/1.5组（1.5mM Mg²⁺+1.5mM Sr²⁺）RUNX2表达量达对照组的2.1倍，细胞迁移速度提升60%，ALP活性增加80%。

3. 3.

   体内骨再生

   Micro-CT显示水凝胶组4周完全修复缺损，骨体积分数（BV/TV）达73.7%，显著高于对照组（50%）。

1. 1.

   机制解析

   TRPM7沉默使ALP、OCN等成骨标志物表达下降70%，证实该通道通过NF-κB通路介导离子信号转导。

研究意义与展望

该研究首次阐明TS-Mg/Sr水凝胶通过TRPM7-Mg²⁺/Sr²⁺轴促进SCAPs成骨分化的分子机制，其创新性体现在：（1）开发出兼具注射性和空间适应性的双离子递送系统；（2）发现1.5mM Mg²⁺/1.5mM Sr²⁺为最优生物活性配比；（3）为临床牙槽骨缺损提供每毫升成本低于生长因子的替代方案。未来研究可进一步优化降解动力学，探索在颌骨囊肿等复杂缺损中的应用潜力。