近日，國際期刊Advanced Materials（先進(jìn)材料）在線發(fā)表了我校口腔醫(yī)學(xué)院黃翠教授和資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院陳朝吉教授帶領(lǐng)團(tuán)隊在骨組織仿生修復(fù)領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展。

     論文題為“Osteomimix: A Multidimensional Biomimetic Cascade Strategy for Bone Defect Repair”（Osteomimix：一種多維仿生級聯(lián)骨修復(fù)策略）。武漢大學(xué)為論文第一署名單位和通訊作者單位，口腔醫(yī)學(xué)院吳小藝博士和楊宏業(yè)副教授為論文共同第一作者，黃翠教授和陳朝吉教授為論文共同通訊作者。

     大范圍骨缺損是威脅人類健康的重大醫(yī)學(xué)難題，仿生構(gòu)建適用于大范圍不規(guī)則骨缺損修復(fù)的材料仍面臨挑戰(zhàn)。目前，基于膠原仿生礦化的骨修復(fù)策略取得了許多進(jìn)展，但現(xiàn)有仿生礦化骨修復(fù)策略仍存在宏觀機(jī)械強(qiáng)度不足、缺乏層級結(jié)構(gòu)、礦化周期長、難以加工成型、與機(jī)體功能協(xié)同性欠佳等局限性。

     針對上述局限性，受骨再生的動態(tài)生物礦化過程啟發(fā)，黃翠教授團(tuán)隊和陳朝吉教授團(tuán)隊通力合作，提出一種多維仿生級聯(lián)修復(fù)的創(chuàng)新策略：通過將動態(tài)仿生礦化水凝膠與取向結(jié)構(gòu)支架整合，構(gòu)建具有成分仿生、結(jié)構(gòu)仿生、性能仿生、生物過程仿生的多維仿生骨修復(fù)材料——Osteomimix，為大范圍骨缺損修復(fù)提供了新思路。

     Osteomimix仿生骨修復(fù)體系的設(shè)計思路如圖1所示：首先揭示了自然界最豐富的生物高分子——纖維素衍生物對無定形磷酸鈣鎂礦化前體（AMCP）的穩(wěn)定作用，證實甲基丙烯酸羧甲基纖維素鈉（SCMA）穩(wěn)定的AMCP（SCMA-AMCP）可介導(dǎo)膠原纖維內(nèi)礦化。隨后將SCMA-AMCP與甲基丙烯酰胺化I型膠原（ColMA）通過藍(lán)光交聯(lián)構(gòu)建動態(tài)仿生自礦化凝膠（CS-AMCP），分別使用氧化脫木素椴木（OW）作為天然來源取向結(jié)構(gòu)支架，使用取向冷凍殼聚糖（Ch）作為人工合成取向支架，利用真空浸漬法將凝膠與取向支架進(jìn)行整合，構(gòu)建出多維仿生級聯(lián)骨修復(fù)材料Osteomimix。該策略突破傳統(tǒng)成分堆砌或結(jié)構(gòu)仿生局限，深度模擬骨骼復(fù)雜生物過程、多級結(jié)構(gòu)與多功能特性，為仿生骨修復(fù)提供全新范式。

     研究結(jié)果顯示，Osteomimix具有仿生層級結(jié)構(gòu)、卓越機(jī)械性能以及自發(fā)的動態(tài)礦化性能，通過CAD/CAM技術(shù)能夠進(jìn)行個性化形狀定制加工。該策略不僅在微觀及宏觀層面高度模仿骨組織的物理結(jié)構(gòu)，還重現(xiàn)了骨組織形成過程中的局部微環(huán)境，為組織再生提供多維引導(dǎo)。基于體內(nèi)外實驗驗證，這種多維仿生級聯(lián)修復(fù)策略能夠有效促進(jìn)骨修復(fù)過程，不僅促進(jìn)以膠原為主體的細(xì)胞外基質(zhì)的生物礦化，同時能夠為細(xì)胞行為提供必要的理化線索，實現(xiàn)了“非細(xì)胞介導(dǎo)的（cell-free）”與“細(xì)胞依賴的（cell-dependent）”兩種仿生礦化途徑的有機(jī)整合。該仿生策略展示了對特定組織形成過程的深入理解如何指導(dǎo)設(shè)計更高效、仿生的生物材料，為仿生材料的構(gòu)建提供了新思路。

圖1生物礦化啟迪的多維仿生級聯(lián)骨修復(fù)策略示意圖

圖2 SCMA-AMCP礦化前體的構(gòu)建與表征

圖3 SCMA介導(dǎo)ColMA仿生礦化的表征及機(jī)制探究

圖4 Osteomimix的構(gòu)建與表征

圖5 Osteomimix在體內(nèi)遠(yuǎn)期骨缺損修復(fù)中的生物學(xué)效應(yīng)

      該項研究得到了武漢大學(xué)科研公共服務(wù)條件平臺、醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中心、口腔醫(yī)學(xué)院、資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院的支持。該項研究獲得了國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金的經(jīng)費支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202416715

作者：口腔修復(fù)科 吳小藝

供圖：口腔修復(fù)科

編輯:李賢