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四川大学魏强/程冲/彭旭《ACS AMI》:柔软纤维基质材料促进细胞力学感应与骨再生

时间:2023-10-07 来源: 浏览:

四川大学魏强/程冲/彭旭《ACS AMI》:柔软纤维基质材料促进细胞力学感应与骨再生

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基于细胞外基质(ECM)的骨再生材料在治疗骨缺损方面扮演着关键的角色,因为它们能够模拟自然生物体内的ECM,为新骨组织的生长提供了支持。 然而,传统的细胞外基质(ECM)的骨再生材料通常需要具备较高的刚度,以激活细胞的力学感应并促进干细胞的成骨分化。 这种高刚度的需求可能导致材料的降解时间延长,增加了异物摄入的潜在风险。 因此,在骨缺损治疗中,开发一种既具有较低模量以提高生物安全性,同时又能促进骨再生的材料具有重要意义。

图1:Zn-MOF-74改性的软纤维促进细胞力学感应示意图
在本研究中,我们成功地开发了一种静电纺丝纤维,其显著特点是极其柔软,仅具有1 kPa的低刚度。这种柔软纤维在细胞牵引力的作用下可以重塑形态,从而优化微环境中的机械线索,有助于细胞的粘附和力学感应过程。
图2:软纤维和硬凝胶上的细胞力学信号转导
除了柔软性外,我们还将Zn-MOF-74纳米颗粒引入了这些纤维支架中。这些纳米颗粒的引入通过稳定而持续地释放锌离子,进一步提升干细胞的力学信号转导和促进成骨分化过程。这意味着在生长和分化过程中,细胞能够更好地感知和响应微环境的变化。
图3:Zn-MOF-74改性的软纤维上的细胞力学信号转导和成骨分化(Fiber-Z 0 :代表没有经过Zn-MOF-74改性的软纤维;Fiber-Z 1 和Fiber-Z 2 代表不同浓度Zn-MOF-74改性的软纤维)
此外,在大鼠股骨缺损模型的体内实验中,这种柔软的纤维支架表现出了良好的生物相容性,炎症反应轻微,并且促进了骨组织的形成。通过Micro-CT分析和组织学评估,我们观察到软纤维填充组(Fiber-Zn) 相较于缺损组(Defect)具有更多的新骨形成和更高的骨体积,证实了这种纤维支架在骨再生方面的卓越性能。
图4: 在 4、8和12周时,缺损组(Defect)、软纤维填充组(Fiber-Zn)和正常组(Normal)的 体内骨缺损修复的Micro CT结果
图5:在4、8和12周时,通过CD68、ALP、BMP2和OCN免疫染色 对缺损组(Defect)、软纤维填充组(Fiber-Zn)和正常组(Normal)的骨再生情况进行组织学评估
综上所述,我们的研究提出了一种创新的骨再生生物材料,其柔软性和Zn-MOF-74纳米颗粒的引入共同促进了细胞的力学感应和成骨过程。这项研究为开发新型骨再生生物材料以及改进骨缺损治疗方法提供了重要的理论和实践指导。
文章的第一作者是硕士三年级同学 郭慧 ,通讯作者是 魏强老师程冲老师彭旭老师
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原文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c07999
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