“文献精读系列”是脊柱脊髓损伤再生修复教育部重点实验室举办的常规科研交流学习会议，旨在聚焦领域内前沿进展，探究学术尖端技术研究路线，培养锻炼青年科研人员与硕博生科研思维。

【文献精读·04】会议日期：2023年3月13日 审校人：林古法 报告人：于立群

骨缺损是指由先天或后天因素造成的骨骼完整性被破坏的骨科疾病，导致骨缺损的原因包括严重创伤（骨折）、恶性肿瘤（如骨肉瘤）、先天畸形等。由于骨骼的再生能力有限，骨缺损已成为临床上的一大难题，严重影响患者的生活质量。随着骨再生机制的解码和生物材料医学领域的发展，越来越多的研究将搭载血管生长因子和成骨生长因子的生物材料应用到骨缺损治疗中，并且发现了双因子协同作用下的高效骨再生性能。

2022年11月25日，中国医学科学院/中国协和医科大学翁习生，北京化工大学梁瑞政及香港城市大学谭超良共同通讯在Advanced Materials在线发表题为“A MgFe-LDH Nanosheet-Incorporated Smart Thermo-Responsive Hydrogel with Controllable Growth Factor Releasing Capability for Bone Regeneration”的研究论文。该研究设计的智能温敏型CSP-LB水凝胶具有优异的凝胶能力和血管生成及成骨特性，为骨缺损治疗提供了一种有前途的微创解决方案。

该团队采用简单高效的湿化学合成方法制备了MgFe-LDH并通过透射电子显微镜图像、高分辨-透射电子显微镜图像、SAED图、EDX元素图谱、尺寸分布等验证了MgFe-LDH的成功合成。随后，研究人员合成了掺有不同浓度MgFe-LDH的CS水凝胶，并借助扫描电子显微镜图像、SEM-EDX元素图谱、X射线衍射谱和FT-IR谱表征不同水凝胶。

图1 MgFe-LDH和CS-L表征

研究者利用猪肉组织模型检测CS-L水凝胶可塑性能和温敏特性，并探究了不同水凝胶的力学性能和生长因子释放动力学。结果显示，随着水凝胶中MgFe-LDH浓度的提高，水凝胶成胶时间从300s缩短到146s。此外，MgFe-LDH的加入也使水凝胶的力学性能得到了显著提升，表现为储能模数和压缩模数分别提高了12倍和10.2倍。同时，由于搭载在LDH上的BMP-2与LDH间的强静电作用，使得CSP-LB具有了可控释放因子的性能。

图2 MgFe-LDH提高CS水凝胶力学性能

在成功制备了CSP-LB水凝胶后，该课题组采用碱性磷酸酶染色（ALP），茜素红S染色， 验证了该水凝胶的体外成骨活性。结果表明CSP-LB水凝胶共培养的骨髓间充质干细胞的ALP活性是CS水凝胶的4.9倍，茜素红S染色活性是CS水凝胶的11倍。针对成骨基因及蛋白的qPCR和WB结果也表现出与染色结果相同的趋势。

图3 体外验证CSP-LB成骨性能

为了验证CSP-LB的血管生成性能，课题组进行了划痕实验、细胞迁移实验和成管实验，并利用qPCR和WB进行相关基因的定量分析验证，划痕24小时后，CSBP-L和CSP-LB组中的划痕变细，这表明在水凝胶中添加PDGF-BB可以显著加速脐静脉内皮细胞（HUVEC）的迁移。进一步的定量分析显示，CSP-LB组HUVEC的迁移率比CS组高10.7倍；与对照组相比，CSP-LB的施加上调了血管标记基因HIF1α和VEGF的表达。

图4 体外验证CSP-LB血管再生性能

此外，该团队利用新西兰兔构建颅骨缺损模型并注射了4种不同的水凝胶材料，观察到CSP-LB水凝胶可显著促进骨再生，与CS组相比，其诱导再生的骨体积和骨密度成倍数提高。

图5 CSP-LB水凝胶促进颅骨缺损模型骨再生

该团队通过对转录组测序的结果进行分析，发现 CSP-LB 水凝胶可能通过激活 BMP 通路和 HIF1α 信号通路促进血管化成骨。

图6 利用转录组测序探究CSP-LB水凝胶成骨和血管生成特性的潜在机制

因此，该MgFe-LDH水凝胶将凭借良好的温敏固化性能及成血管和成骨特性，为临床骨缺损微创治疗提供更为高效的治疗方案。

参考文献：Lv Z, Hu T, Bian Y, Wang G, Wu Z, Li H, Liu X, Yang S, Tan C, Liang R, Weng X. A MgFe-LDH Nanosheet-Incorporated Smart Thermo-Responsive Hydrogel with Controllable Growth Factor Releasing Capability for Bone Regeneration. Adv Mater. 2023 Feb;35(5).