可注射的多糖基复合水凝胶有助于修复大小适中的骨缺损

《International Journal of Biological Macromolecules》：Injectable polysaccharide-based composite hydrogel promotes regeneration of critical-sized bone defects

　　

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  临界大小的骨缺损无法实现自发再生。
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  研究人员开发出一种微创、可注射、具有生物相容性且可降解的水凝胶。
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  羟基磷灰石和二氧化硅的纳米形式能够促进骨形成并调节免疫功能。
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  负载万古霉素的二氧化硅纳米颗粒可发挥抗菌作用。
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  该水凝胶显著促进了临界大小颅骨缺损处的骨再生。

引言

由创伤、肿瘤切除、先天畸形以及严重感染引起的临界大小骨缺损，是骨科与重建外科领域中最棘手的难题之一[1]。与可通过骨骼自身再生能力愈合的轻微骨折不同，临界大小骨缺损已超过自我修复的极限，无法自发再生，因此需要临床干预[2]。传统的治疗方案，如自体移植、同种异体移植以及金属植入物，都存在供体部位并发症、免疫排斥、疾病传播风险以及机械匹配度不足等问题[3]。而利用生长因子和细胞因子的治疗手段则因材料快速降解、药物突然释放以及高昂成本等问题，其临床效果大打折扣[4]。因此，迫切需要先进的生物材料与再生策略来促进有效的骨修复并恢复功能。

骨组织工程作为一种极具前景的替代方案，通过整合支架、细胞以及生物活性分子，模拟骨骼的自然愈合过程[5]。这一方法的核心在于设计出能够模拟细胞外基质特性的生物材料，从而为细胞提供机械支撑，同时助力细胞的粘附、增殖与分化。由于天然骨骼是由无机磷酸钙和有机胶原蛋白构成的，因此理想的支架策略应是复制这种双重结构[5]、[7]。然而，单纯的水凝胶支架通常具备的矿化能力有限，机械强度也不足，难以满足承重需求[12]。为解决这些问题，人们将生物活性陶瓷[13]、[14]、硅酸盐纳米颗粒[15]以及磷酸钙衍生物[12]、[14]等无机纳米材料引入水凝胶基质中，以此增强骨诱导作用、促进矿物质沉积并提升机械性能，同时还能模拟天然骨骼中的无机成分，为细胞提供促进骨形成的生化信号。

除了材料组成之外，支架的输送方式也是临床应用中的重要挑战。那些体积较大且形状不规则的临界大小骨缺损往往位于解剖结构较为复杂的部位，这使得预制支架的开放手术植入难度极高，还会对周围软组织造成严重损伤[8]。可注射水凝胶则可以通过注射的方式实现微创输送，材料在原位凝胶化后能够精确贴合复杂缺损的轮廓，从而最大程度增加支架与组织的接触面积，降低手术带来的并发症风险[9]。这类水凝胶还能营造出湿润的三维微环境，有助于保持细胞的骨形成特性，同时让细胞及生物活性分子在缺损区域内均匀分布[10]。在各类可注射系统中，希夫碱交联水凝胶因其具备自愈功能、不含有毒交联剂，且在生理条件下能快速凝胶化，因而特别适合用于临床应用[11]。

局部感染会进一步加剧临界大小骨缺损的修复难度，这类感染会干扰骨形成过程、阻碍血管生成，进而严重影响再生效果[3]、[16]。由于药物难以深入缺损部位，且可能存在全身毒性，系统性抗生素治疗往往效果不佳。将抗菌剂直接掺入水凝胶基质中，则可以实现靶向给药，持续释放药物以控制感染，同时将全身副作用降至最低[3]、[16]。

为应对这些相互关联的挑战，我们研发出了CCD@HapSi这种可注射、具备自愈功能且完全生物相容的水凝胶系统，它能同时实现骨诱导、微创输送以及感染控制三大功能。该水凝胶由羧甲基壳聚糖与氧化葡聚糖构成，二者通过希夫碱反应实现交联，无需使用有毒交联剂；同时还加入了纳米羟基磷灰石与二氧化硅纳米颗粒，以此复制天然骨骼的无机成分，进而赋予水凝胶骨诱导与骨传导功能[5]、[7]、[13]。此外，还通过添加万古霉素这种针对骨感染的一线抗生素，增强了水凝胶的抗菌能力[16]、[17]。研究人员利用间充质干细胞评估了该水凝胶的细胞相容性与骨形成性能，并在大鼠颅骨的临界大小缺损模型中验证了其再生效果。综上所述，CCD@HapSi是一种具有临床应用潜力且成本合理的解决方案，可用于微创治疗临界大小骨缺损。

章节要点

材料与方法

低粘度的壳聚糖（分子量约86 kDa，脱乙酰度超过90%）购自印度Mahtani Chitosan Pvt. Ltd.公司；葡聚糖（分子量约450 kDa）则来自Sigma-Aldrich公司。过碘酸钠、氢氧化钠、氯乙酸、十六烷基三甲基溴化铵、正硅酸四乙酯、3-氨丙基三乙氧基硅烷以及盐酸羟胺均由美国Merck公司提供。细胞培养所需的试剂，包括DMEM培养基、DMEM/F12培养基、胰蛋白酶等，也由相关公司供应。

羧甲基壳聚糖与氧化葡聚糖的合成

壳聚糖是一种天然生物聚合物，其结构与糖胺聚糖相似，在组织工程领域展现出巨大潜力。通过用羧基取代原有的羟基和氨基，可以提高壳聚糖在水中的溶解度[18]。壳聚糖的羧甲基化是通过其羟基和氨基与氯乙酸发生反应实现的（见图1A）。这一改性反应的成功与否可通过核磁共振、X射线光电子能谱以及傅里叶变换红外光谱进行分析验证，在傅里叶变换红外光谱中

结论

总体而言，本研究成功开发出一种多功能可注射水凝胶CCD@HapSi，它能够有效促进临界大小颅骨缺损处的骨再生。这种基于天然多糖动态希夫碱交联机制的水凝胶，不仅具备快速凝胶化的特性，还具有出色的机械稳定性与自愈功能，非常适合用于微创治疗。此外，加入纳米羟基磷灰石与二氧化硅纳米颗粒后，该水凝胶的骨诱导与骨传导性能得到了进一步提升。

作者贡献说明

Malika Arora：负责原文撰写——初稿编写、方法设计、实验研究、数据分析以及数据整理工作。Satish Kumar：负责方法设计与实验研究。Jijo Thomas：同样参与方法设计与实验研究。Preethi Murugesan：负责方法设计与实验研究。Saurabh Chawla：承担项目监督、方法设计以及实验研究工作。Chandan Goswami：负责项目监督以及资金筹集工作。Chirag Kulkarni：负责数据分析以及数据整理工作。Naibedya Chattopadhyay：负责原文审核与编辑、项目监督以及资源协调工作。Deepa Ghosh：负责原文审核与编辑工作。

未引用参考文献

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利益冲突声明

所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者们衷心感谢印度科学与工程研究委员会（SERB，编号SPF/2021/000151）以及印度生物技术部（DBT，编号BT/PR42965/PBD/26/821/2021）提供的资金支持。本论文中的部分图表是由BioRender.com平台协助制作的。

Malika Arora|Satish Kumar|Jijo Thomas|Preethi Murugesan|Saurabh Chawla|Chandan Goswami|Chirag Kulkarni|Naibedya Chattopadhyay|Deepa Ghosh