四川大学李建树教授课题组《Small》：时空自组织矿化凝胶

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自然界通过对反应扩散动力学进行精细调控，设计出令人惊叹的时空自组织图案。骨单元作为皮质骨的基本单位，整体表现出围绕哈弗斯管的同轴多片层结构，这种骨单元组织结构在骨骼的结构力学和生理功能中发挥着至关重要的作用，例如抵抗微裂纹，抑制破骨细胞生成，促进成骨和血管形成等。因此，以仿生自组织的方式构建类骨单元结构是生物医用领域的重要挑战。

四川大学丁春梅副教授/李建树教授课题组在《Small》期刊上发表了题为：“Self-Organized Spatiotemporal Mineralization of Hydrogel: A Simulant of Osteon”的论文，第一作者为2018级硕士吴明珍。利用水凝胶内外两种反向离子浓度梯度形成的非平衡反应扩散体系，该课题组设计了一种简单的矿化策略，可以在温和的生理条件下制备出类骨单元结构的矿化凝胶。与传统的矿化水凝胶相比，时空自组织矿化凝胶在不同层状区域具有不同含量和晶型的磷酸钙矿物，并进一步诱导成骨细胞的粘附、铺展和成骨分化，实现了类骨单元的组织结构和细胞学行为。计算机模拟结果表明，反应离子浓度和体系的pH值起主导作用，与实验结果一致。这项工作不仅为再生医学领域提供骨修复的新思路，也为通过简单的自组织方式制备时空图案的新型材料提供参考。

图1 水凝胶中时空自组织矿化结构。a) 矿化前后水凝胶对比。b), c) 光学显微镜和荧光显微镜下的时空自组织矿物分布。

图2 不同矿化区域矿物表征。凝胶外层（Ⅰ）主要是片状的羟基磷灰石晶体（HA），中间层（Ⅱ）主要是球状的无定形磷酸钙（ACP），内层（Ⅲ）主要是纳米棒状的磷酸氢钙（DCPA）和磷酸八钙（OCP）。

图3 时空自组织矿化图案对成骨细胞行为的调控。a) 钙黄绿素染色矿物的荧光图像。b) -f) MC3T3-E1细胞在不同矿化区域的粘附情况。由结果可以推断，水凝胶不同矿化区域的矿物晶型对细胞的附着起着重要的作用。与ACP(II区)相比，细胞更倾向于附着在更稳定和高结晶度的晶体表面(I区和III区)。同时，对不同矿化区域表观模量的测定g)，与不同矿化区域细胞粘附量的趋势一致。因此，矿物的晶型和水凝胶的硬度可能会在不同区域的细胞行为中发挥协同作用。(h-l) 矿化水凝胶极大地促进了BMSCs骨髓间充质干细胞的成骨分化。

图4 利用ANSYS 18 Fluent 软件对时空自组织矿化凝胶形成进行模拟。a) 扩散前与b) 扩散后的凝胶图像，c) 凝胶中的pH与矿物分布，表明反应离子浓度和体系pH值在类骨单元结构形成中起主导作用，与实验结果一致，(d-i) 不同扩散时间的模拟结果。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202106649

作者团队简介：

四川大学高分子科学与工程学院李建树教授课题组长期硬组织医用高分子材料的基础研究及产业转化相关工作。

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