Biomacromolecules | 一种可持续释放药物的仿生大孔复合物支架用于促进骨再生
大家好，今天为大家分享一篇最近发表在Biomacromolecules上的文章，A Biomimetic Macroporous Hybrid Scaffold with Sustained Drug Delivery for Enhanced Bone Regeneration。这篇文章的通讯作者是瑞士苏黎世联邦理工学院的Seunghun S. Lee和Stephen J. Ferguson教授。
随着老年人口的指数性增长，骨折和骨科相关疾病也不断增多。在过去的十年中，骨组织工程的研究相继开展，许多利用支架和骨诱导生长因子来促进骨再生的策略被提出。明胶等天然聚合物和聚(ε-己内酯) (PCL)等合成聚合物被认为是合适的支架候选材料。但是对于天然聚合物来说，它们的力学性能通常较差，不利于细胞黏附和成骨分化；而对于合成聚合物，疏水性和较差的生物活性限制了它们的应用。因此，将具有不同性质的天然聚合物与合成聚合物结合形成复合材料是一种解决问题的策略。
在通过增加支架刚度来促进成骨的同时，利用生长因子如骨形态发生蛋白(Bone morphogenetic proteins, BMP)可以更有效地促进骨再生。近年来的研究报道了各种能够递送BMP-2的支架，但是大部分支架不能有效地控制BMP-2在一定时间内的释放。为了避免BMP-2暴释所引起的副作用，亟待开发具有持续释放药物的支架。
在本文中，作者开发了一种由负载BMP-2的低温静电纺丝PCL (CE)和大孔明胶/肝素凝胶(GH)组成的复合材料支架(CEGH)（图1）。该复合材料结合了天然聚合物良好的生物相容性与合成聚合物优良的力学性能，并且实现了BMP-2的持续释放，促进了成骨分化和钙沉积。
图1. a) 复合物支架（CEGH）示意图。首先使用PCL通过低温静电纺丝制备纺丝纤维CE，然后将明胶与肝素通过EDC/NHS介导的低温交联合成GH包裹的CE（CEGH）；b) CE（左上）、GH（右上）、CEGH（下）的代表性照片。
作者首先采用低温静电纺丝法制得CE，与传统静电纺丝法制得的纤维支架相比，纳米纤维之间的冰晶可以使支架产生更大的空隙，进而有利于细胞黏附，并且方便第二层凝胶GH的包裹。然后，作者将BMP-2负载到CE中，再将CE浸于含有GH的溶液中，通过EDC/NHS介导的交联反应将GH凝胶包裹在纺丝支架上，形成CEGH。扫描电镜图中可以看到CEGH中CE与GH的分界线，并有一部分GH扩散进入了CE中（图2a）。对CEGH的表征结果表明，相较于CE，CEGH具有较好的亲水性（图2b、c）且仍具有较高的孔隙度（图2d），GH的掺入不会影响细胞的浸润。不仅如此，相较于普通水凝胶GH，CEGH模量更高，使得它更适合用于诱导成骨分化（图2e）。载体表面zeta电势结果表明，CEGH表明具有较多的负电荷（图2g），使其更容易吸附溶液中的钙离子，促进生物矿化，加速骨再生。
图2. a) CE、GH和CEGH的场发射扫描电镜图（FE-SEM），黄色虚线表示CE与GH界面；b) 表面润湿性；c) 溶胀率；d) 孔隙率；e) 弹性模量；f) 酶降解速率（0.25% trypsin−EDTA溶液）；g) 表面zeta电势
接着，作者研究了该复合支架的药物释放动力学（图3）。结果表明，与其他各组相比，CEGH表现出持续稳定的蛋白释放。这可能是因为CEGH的孔隙面积较小，使得蛋白扩散速率降低；其次，CEGH中的肝素对生长因子具有较高的亲和力，可以阻止BMP-2的爆发性释放。
最后，作者评价了这种复合支架的体外成骨能力。首先在不含BMP-2的情况下，CEGH比CE和GH组的钙沉积更高，表明复合支架本身能够促进成骨分化；并且在加入生长因子BMP-2后，在体外成骨后期（21天）CEGH + BMP组成骨基因表达量最高，矿化程度最高。
图3. 蛋白释放动力学。a) 荧光光谱法对FITC-BSA的释放进行定量；b) BMP-2在CE、GH和CEGH的释放，使用ELISA进行定量。CEGH先在CE中加载BMP-2，然后在CE上包裹GH。BMP-2加载浓度：100 ng/mL。
总之，在本文中，作者开发了一种结合天然高分子明胶和合成高分子PCL的复合物支架CEGH。CEGH能够同时克服GH和CE各自的力学性能有限和生物相容性差的局限性，并且CEGH可以实现生长因子BMP-2的持续释放，避免蛋白暴释引起副作用。体外实验证明，CEGH相比于对照组可以很好地促进细胞成骨分化以及钙沉积。总的来说，该工作表明这种仿生大孔复合物支架可以作为骨组织工程的一种新材料。
作者：ZHS 审校：ZZC
DOI: 10.1021/acs.biomac.1c00241
Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c00241