Bone microenvironment regulative hydrogels with ROS scavenging and prolonged oxygen-generating for enhancing bone repair  

骨微環(huán)境調(diào)節(jié)水凝膠具有清除活性氧和延長(zhǎng)產(chǎn)氧能力以增強(qiáng)骨修復(fù)

來(lái)源：Bioactive Materials  

 

一、摘要核心內(nèi)容

 

本研究開(kāi)發(fā)了一種新型智能水凝膠（CPP-L/GelMA），通過(guò)整合過(guò)氧化氫酶（CAT）和ROS響應(yīng)性釋氧納米顆粒（PFC@PLGA/PPS），實(shí)現(xiàn)以下功能：  

ROS清除與智能供氧：在骨缺損缺氧微環(huán)境中，CAT降解過(guò)氧化氫（H?O?）生成氧氣，同時(shí)ROS觸發(fā)納米顆粒持續(xù)釋放氧氣（>14天）。  

 

微環(huán)境調(diào)控：逆轉(zhuǎn)缺氧誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激，抑制破骨細(xì)胞分化，促進(jìn)血管生成和成骨分化。  

 

骨再生機(jī)制：通過(guò)激活BMAL1-自噬通路（Nrf2-BMAL1-autophagy pathway）顯著促進(jìn)骨再生。  

 

二、研究目的

解決缺氧問(wèn)題：克服骨缺損區(qū)域因血供中斷導(dǎo)致的缺氧和ROS累積，抑制骨再生。  

 

開(kāi)發(fā)智能材料：設(shè)計(jì)可響應(yīng)ROS水平、持續(xù)供氧的水凝膠，避免傳統(tǒng)材料氧氣爆發(fā)釋放的弊端。  

 

驗(yàn)證協(xié)同效應(yīng)：探究氧療與ROS清除對(duì)血管生成、成骨分化和骨再生的協(xié)同促進(jìn)作用。  

 

三、研究思路

材料設(shè)計(jì)：  

 

合成ROS響應(yīng)性納米顆粒（PFC@PLGA/PPS），負(fù)載全氟化碳（PFC）作為氧載體。  

 

將CAT與納米顆粒共封裝于脂質(zhì)體（CPP-L），再整合至甲基丙烯酰化明膠（GelMA）水凝膠中。  

體外驗(yàn)證：  

 

表征材料理化性質(zhì)（SEM、力學(xué)測(cè)試、降解性）。  

 

檢測(cè)氧釋放動(dòng)力學(xué)（Unisense電極）和ROS清除能力。  

 

評(píng)估對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞（HUVEC）、成骨細(xì)胞（MC3T3-E1）和破骨細(xì)胞（RAW264.7）的影響。  

體內(nèi)驗(yàn)證：  

 

建立小鼠顱骨缺損模型，植入水凝膠。  

 

監(jiān)測(cè)體內(nèi)ROS水平（ROS Brite 700探針）、缺氧狀態(tài)（Hypoxyprobe）及血管生成（CD31染色）。  

 

通過(guò)Micro-CT、組織學(xué)（H&E、TRAP染色）和免疫熒光分析骨再生效果。  

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

氧釋放動(dòng)力學(xué)（圖2F-G）  

數(shù)據(jù)：CPP-L/GelMA在14天內(nèi)持續(xù)釋氧（0.31 μM），顯著高于對(duì)照組（PFC@PLGA/PPS僅維持10天）。  

 

意義：證實(shí)水凝膠可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效供氧，滿足骨修復(fù)的長(zhǎng)期需求。  

 

來(lái)源：圖2F（體外）、圖6F（體內(nèi)）。  

ROS清除能力（圖4B-C）  

 

數(shù)據(jù)：CPP-L/GelMA使MC3T3-E1細(xì)胞內(nèi)ROS水平降低50%（vs. 對(duì)照組）。  

 

意義：緩解氧化應(yīng)激，保護(hù)成骨細(xì)胞免受缺氧損傷。  

 

來(lái)源：圖4B-C。  

成骨分化（圖3J, 圖4I-K）  

 

數(shù)據(jù)：  

 

ALP活性提升138%（CPP-L/GelMA組 vs. 對(duì)照組）。  

 

鈣結(jié)節(jié)形成量增加4倍（Alizarin Red染色）。  

 

意義：持續(xù)供氧顯著增強(qiáng)成骨標(biāo)志物（RUNX2、OCN）表達(dá)和礦化能力。  

 

來(lái)源：圖3J（體外）、圖4I-K（體外）。  

血管生成（圖7F-I）  

 

數(shù)據(jù)：CPP-L/GelMA組血管密度為對(duì)照組的1.5倍（CD31?染色）。  

 

意義：改善缺氧微環(huán)境促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞遷移和管狀結(jié)構(gòu)形成。  

 

來(lái)源：圖7F-I（體內(nèi)）。  

骨再生效果（圖7B-D）  

 

 

數(shù)據(jù)：  

 

骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）提升3倍（8周）。  

 

骨礦物密度（BMD）增加30%。  

 

意義：智能供氧協(xié)同ROS清除加速骨缺損修復(fù)。  

 

來(lái)源：圖7B-D（Micro-CT）。  

 

五、丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

 

檢測(cè)目標(biāo)：  

溶解氧濃度：使用Unisense OX-NP氧傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水凝膠釋氧動(dòng)力學(xué)（方法2.2.7）。  

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與意義：  

精準(zhǔn)量化釋氧性能：  

 

CPP-L/GelMA在體外維持穩(wěn)定氧濃度（0.31 μM）超過(guò)14天（圖2F），而傳統(tǒng)PFC@PLGA/PPS僅維持10天。  

 

意義：為材料“長(zhǎng)效供氧”特性提供直接證據(jù)，克服傳統(tǒng)材料爆發(fā)釋放的缺陷。  

體內(nèi)-體外相關(guān)性驗(yàn)證：  

 

體內(nèi)實(shí)驗(yàn)（圖6F）顯示植入后14天，水凝膠仍保留60%氧載體活性，與體外數(shù)據(jù)一致。  

 

意義：證實(shí)材料在生理環(huán)境中的可靠性，支持其臨床轉(zhuǎn)化潛力。  

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：  

 

高時(shí)空分辨率：實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)記錄局部氧分壓變化，避免終點(diǎn)檢測(cè)的偏差。  

 

意義：為優(yōu)化材料設(shè)計(jì)（如PFC濃度、納米顆粒包封率）提供精準(zhǔn)參數(shù)。  

 

六、結(jié)論

材料創(chuàng)新性：CPP-L/GelMA是首個(gè)集成ROS清除與智能供氧的骨修復(fù)水凝膠，可動(dòng)態(tài)響應(yīng)微環(huán)境變化。  

 

核心機(jī)制：  

 

持續(xù)供氧上調(diào)BMAL1表達(dá)，激活自噬通路（LC3-II/I↑），促進(jìn)成骨分化。  

 

ROS清除抑制破骨細(xì)胞形成（TRAP?細(xì)胞↓50%）。  

治療價(jià)值：  

 

在小鼠顱骨缺損模型中，新骨體積增加3倍，血管密度提升1.5倍。  

 

為臨床大尺寸骨缺損修復(fù)提供新策略。  

 

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標(biāo)題：Bone microenvironment regulative hydrogels with ROS scavenging and prolonged oxygen-generating for enhancing bone repair  

來(lái)源：Bioactive Materials