一种能够实现BMP2持续递送的混合组织工程构建体在大段骨缺损修复中优于临床使用的胶原海绵：一项临床前研究

《Biomedical Technology》：A hybrid tissue engineering construct enabling sustained BMP2 delivery outperforms a clinically used collagen sponge in large bone defect repair: A preclinical study

　　

•HyTEC：一种3D打印的PCL-TCP支架，具有用于持续递送BMP2的互穿网络（IPN）水凝胶
•水凝胶涂层在冻干和终端电子束灭菌后保持稳定
•在大鼠模型中，载BMP2的HyTEC在术后第34天实现100%骨愈合
•载BMP2的HyTEC在术后第55天将大鼠骨体积/总体积（BV/TV）较胶原海绵提高4.1倍
•初步羊数据支持规模放大；转化前需进行有把握度的研究

大段骨缺损的修复是骨科领域长期未解决的临床难题。创伤、感染、先天畸形等导致的节段性骨缺损严重影响患者活动能力和生活质量。目前自体骨移植虽为金标准，但存在供区并发症、骨量有限等问题；同种异体骨移植则面临重塑不良和疾病传播风险。临床上使用的BMP2浸泡胶原海绵（Col-BMP2）虽然已获批用于某些骨科适应症，但其BMP2释放不受控制，常导致异位骨形成和炎症，且高剂量使用带来安全隐患。牵引成骨和血管化自体骨移植虽然有效，但手术创伤大、技术要求高、治疗周期长。因此，迫切需要一种更简单、微创、可规模化且有效的骨再生策略。

研究人员前期开发了HyTEC平台，将结构稳固的3D打印PCL-TCP（聚己内酯-β-磷酸三钙）支架与可长期控释BMP2的水凝胶整合。本研究在该平台基础上，沿四个技术维度推进：将水凝胶整合策略扩展至大鼠实心棒状植入物和绵羊多孔3D打印支架两种几何形态；无需联合牵引成骨而进行单独植入；整合冻干与分次电子束灭菌流程；并在大动物临界尺寸缺损模型中开展探索性验证。研究人员在大鼠股骨8mm临界缺损模型中比较了等剂量BMP2的HyTEC-BMP2与Col-BMP2（每组8只），并采用绵羊跖骨5cm缺损模型（每组1只）进行大动物可行性探索，以Col-BMP2和自体骨为对照。研究证实，HyTEC-BMP2能够实现BMP2持续释放，在大鼠模型中显著促进骨再生和力学恢复，在绵羊探索性实验中显示优于自体骨和胶原海绵的趋势。该成果发表于《Biomedical Technology》。

关键技术方法：研究人员采用熔融沉积建模3D打印PCL-TCP支架，经NaOH表面水解、GelMA（甲基丙烯酰化明胶）共价接枝及CaSO₄沉积处理，浸入含BMP2的GelMA/海藻酸盐/PEGDMA（聚乙二醇二甲基丙烯酸酯）水凝胶前体溶液，可见光交联后冻干并接受分次电子束灭菌（2×12.5 kGy）。大鼠样本为80只Sprague Dawley大鼠，绵羊样本为3只Rambouillet杂交母羊。兔？无。该技术无需额外载体即可同时提供力学支撑和持续生长因子释放。

研究结果如下：

**制造、体外生物相容性及BMP2持续释放特征**：扫描电镜显示冻干后水凝胶表面多孔（平均孔径8 μm）。将人骨髓间充质干细胞（hMSCs）包封于HyTEC水凝胶中，7天内细胞活力维持在92%–96%，14天DNA含量增加2.4倍。释放动力学实验中，胶原海绵在24小时内释放67.4%的BMP2，而HyTEC在1天、7天、14天、21天、28天分别释放26.5%、64.7%、74.8%、78.2%、79.9%，证明HyTEC具有明显更平稳和持续的释放特性。

**3D打印HyTEC支架的可扩展性、降解与生物力学稳定性**：为满足大动物应用，制备了长60 mm、直径6 mm、孔隙率78%的多孔支架并灌注含BMP2的HyTEC水凝胶。经分次电子束灭菌后，BMP2释放持续91天，第7、28、70天累积释放率分别为17.2%、48.9%、62.7%。体外降解呈双相模式，前6周快速损失约35%，6–12周降解减缓，12周后仍保留超过初始质量的一半。压缩测试显示，未涂层、新鲜涂层、冻干、灭菌和再水化12周后的支架弹性模量分别约为32、28、58、72和27 MPa，说明冻干和灭菌会短暂增加刚度，但长期再水化恢复至基线水平，力学完整性主要由PCL-TCP支架本身决定；水凝胶涂层在压缩过程中保持牢固附着。

**持续的BMP2递送驱动更快和更优的骨再生**：在大鼠股骨缺损模型中，X线和μCT显示，IMI-BMP2组在术后第13天即出现均匀钙化，第27天骨愈合率达75%，第34天达到100%并维持。对照的Ctrl、IMI、Col-BMP2组在整个观察期均无骨愈合；IMI+Col-BMP2组在第34天愈合率仅25%，第55天未进一步提高。定量分析显示，IMI-BMP2组的骨体积/总体积（BV/TV）在第34天为Col-BMP2组的3.9倍，第55天为4.1倍；较IMI+Col-BMP2组分别高2.7倍和2.1倍。这证实持续释放的BMP2是促进骨再生的主要驱动力。

**IMI-BMP2表现出优于BMP2负载胶原海绵的力学性能**：三点弯曲试验显示，第34天IMI-BMP2组的最大载荷、杨氏模量和能量吸收分别达到对侧完整骨的21.9%、5.0%和18.8%，显著优于其他组；第55天进一步增至43.0%、21.6%和53.4%。除能量吸收外，其余指标均显著高于所有对照组，表明IMI-BMP2再生骨具有结构完整性和承载能力。

**IMI-BMP2促进持续性骨形成并支持功能性步态**：组织学显示，IMI-BMP2组在第34天已出现连续骨桥接，水凝胶被细胞浸润并逐渐被骨组织替代；对照各组仅有纤维或软骨组织，未见骨愈合。研究人员对实现骨愈合的大鼠移除外部固定架，术后1周步态正常，X线确认无骨折。其中一例在移除固定架后维持至第365天，骨量高于同期平均值，力学强度接近健康骨，组织学未见明显炎症或感染。

**HyTEC-BMP2在探索性大动物骨缺损模型中支持骨再生**：绵羊跖骨5cm缺损模型植入HyTEC-BMP2、Col-BMP2或自体骨，24周后μCT显示三组骨体积分别为5126 mm3、1942 mm3和2466 mm3，HyTEC-BMP2组最高。组织病理学评分（3/4）也最高，显示支架内存在未矿化骨基质和周围编织骨。力学测试方面，HyTEC-BMP2组可顺利取出金属髓内钉，弯曲刚度为619 N/mm（自体骨组因钉无法取出，带钉测试为599 N/mm），扭转刚度为1.02 N·m/度，达到健康肢体的44.2%。由于每组仅1只动物，该结果仅作为探索性描述。

讨论部分指出，传统BMP2胶原海绵因快速释放导致骨诱导信号不足，需超生理剂量，从而引发炎症和异位骨化风险。HyTEC通过水凝胶网络实现BMP2长期控释，同时PCL-TCP支架提供力学支撑和骨传导性。研究中还观察到水凝胶与宿主细胞有良好亲和性，长期观察（大鼠365天、绵羊24周）未见异常炎症或异位骨化。作者也指出研究局限性：大动物样本量过小、BMP2最适剂量未确定、支架结构尚需优化、未检测特定成骨/血管/炎症标志物，并且缺少无支架的BMP2水凝胶对照。未来需要开展有充分统计效力的动物研究。

研究结论翻译如下：总而言之，本研究表明HyTEC-BMP2是一个可扩展的平台，具有未来临床应用潜力，比现有方法创伤更小、技术上更易采用。HyTEC-BMP2在小动物模型和探索性大动物研究中表现出持续的BMP2递送和强劲的骨再生能力，支持其作为大段骨缺损治疗方法的进一步临床前开发。仍需开展有充分统计效力的更大规模动物研究，以确立其有效性、安全性和转化潜力。