首页 > 行业资讯 > 北京协和医院翁习生/北化梁瑞政/港城大谭超良 Adv. Mater：可控生长因子释放能力的镁铁水滑石纳米片智能温敏骨再生水凝胶

北京协和医院翁习生/北化梁瑞政/港城大谭超良 Adv. Mater：可控生长因子释放能力的镁铁水滑石纳米片智能温敏骨再生水凝胶

时间：2022-11-30 来源： 浏览：

北京协和医院翁习生/北化梁瑞政/港城大谭超良 Adv. Mater：可控生长因子释放能力的镁铁水滑石纳米片智能温敏骨再生水凝胶

原创 化学与材料科学 化学与材料科学
化学与材料科学

Chem-MSE

聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集
#镁铁水滑石纳米片 2 个
#温敏性水凝胶 2 个
#生长因子 2 个
#可控释放 4 个
#骨再生 5 个

点击蓝字关注我们

先天性骨骼畸形、严重创伤、骨恶性肿瘤及骨相关感染等引起的骨缺损严重影响患者的生活质量，以生长因子 (GF) 为基础的治疗被认为是促进骨组织再生的最有效策略，骨形态发生蛋白 -2(BMP-2) 以其优异的促骨再生能力被广泛应用于骨缺损性疾病的治疗。然而，目前大多研究中 BMP-2 通常以超生理剂量递送，而超生理剂量的生长因子会增加炎症反应、异位骨形成、骨溶解、及肿瘤形成的风险。因此，开发可控和持续释放 BMP-2 的递送载体，以减少其副作用并改善骨愈合具有十分重要的临床意义。此外，在缺损区快速充分的血管形成可以为缺损部位提供足够的氧气和营养物质，对于后续骨再生同样非常重要。血小板衍生生长因子 -BB(PDGF-BB) 是一种强大的血管生成因子，其具有诱导新生血管形成、促进骨愈合的双重功能。尽 管同时负载 BMP-2 等成骨生长因子及 PDGF-BB 等成血管生长因子的水凝胶被认为是一种很有前途的骨修复材料， 但如何构建具有良好的 成胶 / 力学性能和可控的生长因子释放能力的智能水凝胶仍十分具有挑战性。

近日， 中国医学科学院北京协和医院翁习生教授， 北京化工大学梁瑞政 教授 及香港城市大学谭超良 教授 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。 该团队将 BMP-2 功能化的 MgFe-LDH 纳米片掺入到负载了 PDGF-BB 的壳聚糖 / 丝素蛋白 (CS) 水凝胶中，构建了一种可注射的智能温敏水凝胶 (CSP-LB) 。在该智能水凝胶中，由于 PDGF-BB 与 CS 水凝胶之间的相互作用较弱，而 BMP-2 与 LDH 纳米片之间存在较强的静电相互作用，因此智能 CSP-LB 水凝胶体系可以实现 PDGF-BB 的快速释放和 BMP-2 的缓慢持续释放，从而实现高效而持久的骨再生。体外实验证明， CSP-LB 水凝胶共培养的骨髓间充质干细胞的碱性磷酸酶 (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，细胞迁移率是 CS 水凝胶的 10.7 倍。体内实验进一步证明， CSP-LB 型水凝胶能显著促进骨再生，其诱导再生的骨体积是 CS 水凝胶的 4.5 倍，骨密度是 CS 水凝胶的 3.6 倍。更重要的是，在 CS 水凝胶中加入 MgFe-LDH 不仅可以将水凝胶成胶时间从 300 s 缩短到 146 s ，将溶胶 - 凝胶的转变温度从 37.4 ℃ 降低到 32.7 ℃ ，而且还显著地提高了水凝胶的力学性能，具体表现为水凝胶的储能模数提高 12 倍，压缩模数提高 10.2 倍。此外， CS-L 水凝胶溶液可以精确可塑地填充组织中的缺损，并在 37 ℃ 的水浴条件下快速固化。因此，该智能可注射的温敏水凝胶 CSP-LB 具有良好的温敏固化性能及成血管和成骨特性，为临床骨缺损的治疗提供了一种非常有前景的智能微创解决方案。

示意图： CSP-LB 水凝胶的制备示意图，其具有良好的机械性能及优异的成骨成血管生物学活性。
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，尺寸分布对其表征，验证 MgFe-LDH 的成功合成。另外，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 谱验证不同的水凝胶的成功制备。使用猪肉组织模型显示 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。结果表明，在 CS 水凝胶中加入 MgFe-LDH 将水凝胶成胶时间从 300 s 缩短到 146 s ，将溶胶 - 凝胶的转变温度从 37.4 ℃ 降低到 32.7 ℃ ，此外，水凝胶的力学性能的力学性能也得到了显著提升，表现为储能模数提高 12 倍，压缩模数提高 10.2 倍。
图 1. MgFe-LDH 纳米片的 (a) 透射电子显微镜图像， (b) 高分辨 - 透射电子显微镜图像和 (c) SAED 图案。 (d)MgFe-LDH 纳米片的 EDX 元素图谱。 (e) MgFe-LDH 纳米片在生理溶剂 ( 水、 PBS 和 DMEM) 中的尺寸分布。 (f-i) C 、 CS 、 CS-L5 和 CS-L10 水凝胶的扫描电子显微镜图像。 (j) CS-L10 水凝胶的 SEM-EDX 元素图谱。 (k)MgFe-LDH 、壳聚糖、丝素蛋白和 CS/LDH 的 X 射线衍射谱和 (l)FT-IR 谱。
图 2. (a) 猪肉组织模型显示 CS-L 水凝胶的可塑性能。 (b) 可注射 CS-L10 水凝胶在不同 3D 图案的猪肉组织模型上填充的照片。 (c,d) 不同试件 (C 、 CS 、 CS-L1.25 、 CS-L2.5 、 CS-L5 、 CS-L10 、 CS-L20 和 CS-L40) 的储能模数 (G‘) 、损耗模数 (G“) 、压缩应力应变曲线和压缩模数 (e,f) 。 (g)CSBP-L 和 (h) CSP-LB 水凝胶中 PDGF-BB 和 BMP-2 的释放动力学。
成功制备 CSP-LB 水凝胶后，该团队采用碱性磷酸酶染色，茜素红染色， QPCR 和 WB 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碱性磷酸酶 (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。采用划痕实验，细胞迁移实验及成管实验验证了水凝胶的体外成血管活性，结果表明 CSP-LB 水凝胶共培养的脐静脉内皮细胞细胞迁移率是 CS 水凝胶的 10.7 倍。兔颅骨缺损实验进一步证明， CSP-LB 型水凝胶能显著促进骨再生，其诱导再生的骨体积是 CS 水凝胶的 4.5 倍，骨密度是 CS 水凝胶的 3.6 倍。此外，该团队采用转录组测序的方法发现 CSP-LB 水凝胶通过激活 BMP 通路和 HIF1α 信号通路促进血管化成骨。
图 3. 碱性磷酸酶染色 (a) 和茜素红 S 染色 (b) ，碱性磷酸酶染色为蓝色，细胞外基质矿化染色为红色。 (c ， d) 碱性磷酸酶染色和茜素红 S 染色结果定量分析。 (e) 用定量聚合酶链式反应 (QPCR) 检测 CS 、 CS-L 、 CSBP-L 和 CSP-LB4 水凝胶培养的 hBMSCs 成骨基因 (OCN 、 BMP-2 和 Runx2) 的表达。 (f) 用 Western blot 检测 CS 、 CS-L 、 CSBP-L 和 CSP-LB 水凝胶培养的 hBMSCs 成骨蛋白 (OCN 、 BMP-2 和 Runx2) 的表达。 (g-i) hBMSCs 成骨蛋白表达结果定量分析。
图 4. (a ， b) 划痕试验和相应的定量分评估 CS 、 CS-L 、 CSBP-L 和 CSP-LB 水凝胶培养的人脐静脉内皮细胞的迁移活性。 (c) 结晶紫染色检测 CS 、 CS-L 、 CSBP-L 和 CSP-LB 培养的人脐静脉内皮细胞的迁移活性。 (d) Matrigel 实验的评价 CS 、 CS-L 、 CSBP-L 和 CSP-LB 水凝胶培养的人脐静脉内皮细胞的成管能力。 (e ， f) 水凝胶共培养人脐静脉内皮细胞形成的关节数和总长度的定量分析。 (g) 聚合酶链式反应技术检测 CS 、 CS-L 、 CSBP-L 、 CSP-LB 四种水凝胶对人脐静脉内皮细胞血管生成基因 α 表达的影响。 (h) 用免疫印迹法检测 CS 、 CS-L 、 CSBP-L 和 CSP-LB 水凝胶对人脐静脉内皮细胞 HIF-α 及 VEGF 表达的影响。 (i ， j) 人脐静脉内皮细胞血管生成蛋白的表达的定量分析。
图 5. (a ， b) 转录组测序鉴定的差异表达基因的热图和火山图，上调的基因用红色标记，下调的基因用绿色标记。 (c) KEGG 分析富含差异表达基因的 TOP20 信号通路。 (d)IPA® 确定典型信号通路。 (e ， f) 通过转录组测序和 IPA 软件分析，筛选出 BMP 通路 (e) 和 HIF1α 信通路 (f) 的差异表达基因。
图 6. (a) CS 、 CS-L 、 CSBP-L 和 CSP-LB 型水凝胶诱导的颅骨缺损区和再生骨组织的水平、冠状和 3D 重建的 Micro-CT 扫描图像。 (b) 应用 Micro-CT 定量形态计量学分析新生骨的骨体积和骨密度。 (d ， e) CS 、 CS-L 、 CSBP-L 、 CSP-LB4 种水凝胶诱导的新生骨的 H&E 和 Masson 三色染色。
中国医学科院北京协和医院吕泽辉硕士研究生，卞一鑫硕士研究生和北京化工大学胡婷婷博士研究生为本文的共同第一作者。

作者简介

向上滑动阅览

翁习生，中国医学科学院北京协和医院骨科教授，主任医师，博士生导师。现任北京协和医院外科学系主任，中华医学会骨科分会副主任委员，中国医师协会骨科分会副会长，中华医学会骨质疏松学组组长，北京医学会骨科专业委员会副主任委员，中国医疗保健国际交流促进会运动损伤防治委员会主任委员，北京医学会关节外科学组组长。《中华骨与关节外科杂志》副主编，《中华骨科杂志》副主编，《中华关节外科杂志》电子版副主编，《国际骨科杂志》副主编。国家 863 重大专项课题首席专家、国家百千万人才工程专家，享受国务院特殊津贴，曾获得国家科技进步二等奖、北京市科学技术二等奖和吴杨奖一等奖等重要奖项，并承担国家自然科学基金重点项目、面上项目、北京市科委基金、博士点基金等多项科研项目。

梁瑞政，博士生导师，北京化工大学教授。 2009-2015 年在北京化工大学硕博连读，导师为段雪教授（中科院院士），期间被国家留学基金委委派到英国牛津大学留学。 2015 年以人才引进在北京化工大学留校任教， 2021 年破格晋升教授。目前主要开展 2 个研究方向： 1 ）抗肿瘤纳米载药体系及诊疗一体化； 2 ）骨修复和骨填充生物活性材料。以第一作者或通讯作者在 Chem. Soc. Rev. 、 Nat. Commun. 、 Adv. Mater. 、 ACS Nano 、 Adv. Funct. Mater. 、 Adv. Sci. 等刊物发表 SCI 论文 50 余篇。 6 篇论文曾入选 ESI 高被引 TOP 1% 论文， 1 项工作被 Nat. Commun. 官方网站选为“ Editors’ Highlights” 。荣获北京化工大学青年英才百人计划。北京科技进步二等奖，参编中文专著 1 部。申请国家发明专利 20 余件，获得授权 14 件。
谭超良，博士生导师，香港城市大学助理教授。 2016 年于新加坡南洋理工大学获得博士学位，师从张华教授。 2016-2020 年先后于南洋理工大学和加州大学伯克利分校担任博士后，合作导师分别为张华教授和 Ali Javey 教授。 2020 年加入香港城市大学担任助理教授。目前主要的研究方向： 1 ）二维半导体材料与器件； 2 ）层状二维材料的工程化及其在生物医学领域的应用。目前 共发表论文超过 140 篇，总引用超过 23200 次，个人 H 因子 67 。其中第一或通讯作者论文超过 50 篇，包括 Nat. Nanotechnol. 、 Nat. Rev. Mater. 、 Chem. Rev. 、 Chem. Soc. Rev. 、 Nat. Commun. 、 J. Am. Chem. Soc. 、 Angew. Chem. Int. Ed. 、 Adv. Mater. 、 Adv. Funct. Mater. 、 ACS Nano 、 Small 等。谭教授荣获 2021 年国家优秀青年基金（港澳）， 2018-2022 年连续 5 年入选 “ 全球高被引学者 ” 榜单（科睿唯安）， 2020-2022 连续 3 年获斯坦福大学发表的工程领域“世界前 2% 科学家”、 2021 年香港高等研究院“明日之星”、 2021 年 Journal of Materials Chemistry A 期刊“新锐科学家”和 2022 年 Small 期刊“明日之星”等荣誉；并长期担任 Nat. Commun. 、 Adv. Mater. 、 J. Am. Chem. Soc. 、等独立审稿人，担任《 物理化学快报 》编委和《 中国化学快报 》青年编委。

原文链接

Lv Z, Hu T, Bian Y,  et al.  A MgFe-LDH Nanosheet-Incorporated Smart Thermo-Responsive Hydrogel with Controllable Growth Factor Releasing Capability for Bone Regeneration.  Adv Mater.  2022; doi/10.1002/adma.202206545

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206545

相关进展

城大谭超良教授、北化梁瑞政教授和湖南科大刘万强教授 Small:染料分子插层的MoO3有机/无机超晶格纳米材料用于肿瘤诊疗一体化

香港城市大学谭超良教授课题组《Adv. Funct. Mater.》综述：基于二维材料和纳米光子学的红外探测器

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chem@chemshow.cn

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至chem@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。

版权：如无特殊注明，文章转载自网络，侵权请联系cnmhg168#163.com删除！文件均为网友上传，仅供研究和学习使用，务必24小时内删除。
相关推荐
热门信息