從臨床和社會經(jīng)濟的角度來看，骨缺損的治療是一項重大挑戰(zhàn)。自體或異體骨的局限性刺激了許多不同骨替代物的發(fā)展。骨折的愈合是一個復(fù)雜的生理過程，依賴于涉及成骨干細(xì)胞，細(xì)胞因子和基質(zhì)相互作用的協(xié)同，并且該過程通常被細(xì)菌毒素和炎性反應(yīng)破壞。此外，缺陷修復(fù)過程中活性氧（ROS）的水平升高可導(dǎo)致氧化應(yīng)激和細(xì)胞損傷，從而抑制間充質(zhì)細(xì)胞成骨分化，同時促進脂肪形成。因此理想的材料應(yīng)具有促進骨缺損愈合的合適性能，例如生物相容性，骨傳導(dǎo)性，骨誘導(dǎo)性，機械完整性，易用性和可承重性，以及抗菌抗氧化能力。
近日，加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校Min Lee課題組受植物來源的植物化學(xué)物質(zhì)和骨細(xì)胞外基質(zhì)的無機-有機類似物的性質(zhì)啟發(fā)，本文報道了一種納米粘土-有機水凝膠骨密封劑（NoBS），該密封劑將用于骨骼再生的多個物理化學(xué)線索整合到單個系統(tǒng)中。植物化學(xué)修飾的殼聚糖和無機納米粘土的組裝可作為具有高度生物相容性和骨傳導(dǎo)性的細(xì)胞外基質(zhì)模擬物。裝飾后的植物化學(xué)物質(zhì)具有固有的殺菌和抗氧化活性，并充當(dāng)凝膠化的分子間網(wǎng)絡(luò)前體，具有可注射和自修復(fù)的性能。此外，NoBS發(fā)揮納米粘土介導(dǎo)的骨誘導(dǎo)作用，調(diào)節(jié)Wnt /b -catenin通路，促進顱骨缺損的骨再生。該工作以“Inspired by Nature: Facile Design of Nanoclay–OrganicHydrogel Bone Sealant with Multifunctional Properties for Robust BoneRegeneration” 為題發(fā)表在《Adv. Funct. Mater.》上。
納米粘土-有機水凝膠骨密封劑的設(shè)計
NoBS水凝膠是通過植物化學(xué)接枝的殼聚糖（PGC）與納米硅酸鹽（NC）的自組裝，通過涉及植物化學(xué)物質(zhì)中鄰苯二酚基團的多種共價和非共價相互作用而形成的，從而產(chǎn)生具有增強的機械性能的可延展和自修復(fù)的水凝膠，注入具有復(fù)雜幾何形狀的缺陷中。此外，NoBS具有抗微生物和抗氧化活性，這是由于植物化學(xué)物質(zhì)中的酚羥基豐富部分所致。最后，NCs可以作為有吸引力的交聯(lián)劑，通過調(diào)節(jié)Wnt /β-catenin途徑來增強NoBS的骨誘導(dǎo)性，并作為可控藥物遞送的納米載體。通過加載作為模型藥物的平滑激動劑（SAG）評估藥物的遞送。工程化的納米復(fù)合水凝膠可以用作具有多功能和模塊化組件的集成式骨移植裝置，用于臨床骨修復(fù)。
納米粘土-有機水凝膠骨密封劑的表征
NC的添加顯著增強了NoBS的機械性能（兩倍），表明分散的NC顆粒與交聯(lián)的NoBS的聚合物鏈之間有很強的界面相互作用。但是，提高 NC含量更至0.5％或1.0％不會導(dǎo)致NoBS的機械強度發(fā)生明顯變化。這可能是因為納米粘土濃度的增加可能引起兒茶酚-納米粘土的配位，同時降低了聚合物鏈之間交聯(lián)所需的兒茶酚基團的利用率。NoBS水凝膠的高剛度可促進MSC的成骨分化。
納米粘土-有機骨密封劑（NoBS）的可模塑和自修復(fù)特性
自愈性和可塑性對簡便和微創(chuàng)治療意義重大。NoBS是可注射的，并且凝膠通過23號針頭擠出而沒有堵塞，并且隨著水凝膠彼此接近而在水中重新組裝。NoBS還具有出色的自修復(fù)能力，這歸因于涉及水凝膠的NC-聚合物和聚合物-聚合物網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)非共價和共價相互作用。此外，注射后NoBS可以重塑成不同的形狀。
納米粘土-有機水凝膠骨密封劑的抗菌抗氧化性能
使用金黃色葡萄球菌（革蘭氏陽性）和大腸桿菌（革蘭氏陰性）作為模型微生物評估了抗菌活性。與無植物化學(xué)的MeGC水凝膠相比，oBS和NoBS的具有優(yōu)秀的抗菌活性，NoBS在臨床生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有降低細(xì)菌感染風(fēng)險的巨大潛力。由于已知植物化學(xué)物質(zhì)具有抗氧化活性，并傾向于防止生物成分上的氧化應(yīng)激，因此NoBS能夠清除或淬滅自由基，并且在細(xì)胞代謝反應(yīng)期間可能會產(chǎn)生ROS。因此，NoBS能夠增強成骨細(xì)胞的存活，增殖和分化。
納米粘土-有機水凝膠骨密封劑的成骨能力
在2D細(xì)胞培養(yǎng)物中確定NoBS的生物相容性。通過ALP和茜素紅染色，發(fā)現(xiàn)NoBS具有促進MSCs成骨分化的能力。qRT-PCR結(jié)果顯示PTCH和Gli 1的表達水平含SAG的oBS和NoBS的顯著高于其他組?？偟膩碚f，結(jié)果表明，NoBS與SAG的輸送結(jié)合，分別由小分子活化劑SAG和NC衍生的副產(chǎn)物（鋰，鎂和原硅酸）介導(dǎo)的Hedgehog信號和Wnt /β-catenin信號上調(diào)，從而導(dǎo)致富集間充質(zhì)細(xì)胞成骨分化。
納米粘土-有機水凝膠骨密封劑的3D細(xì)胞封裝和成骨能力
細(xì)胞封裝在基于細(xì)胞的移植療法中起著重要作用，并且可以模仿天然細(xì)胞的微環(huán)境。在合適的支架中封裝細(xì)胞引起了廣泛的關(guān)注，并顯示出諸如易于處理，高度水合的組織樣微環(huán)境，均勻的細(xì)胞分布和空間定位等優(yōu)點?；贜oBS在上述2D測定中出色的生物相容性，研究人員評估了3D水凝膠構(gòu)建體中的生物相容性。將BMSC封裝到oBS和NoBS中，并在生長培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)。與初始水平（第1天）相比，水凝膠中的細(xì)胞數(shù)量隨時間增加了多達3.8倍。在具有不同水平的NC摻入的水凝膠中，細(xì)胞增殖中沒有明顯的差異，表明存在或不存在NC的水凝膠能夠支持細(xì)胞并促進細(xì)胞增殖。同樣，通過ALP、茜素紅染色和相應(yīng)成骨基因表達，發(fā)現(xiàn)生物相容性NoBS具有作為細(xì)胞輸送載體的巨大潛力，并且還增強了骨誘導(dǎo)能力。
納米粘土-有機水凝膠骨密封劑的體內(nèi)骨再生能力
研究人員使用小鼠臨界缺損模型，NoBS組中觀察到原始缺損區(qū)域中的新生成的骨，并通過SAG顯著增強，而在oBS組中未發(fā)現(xiàn)明顯的再生骨。microCT和定量分析的結(jié)果表明，含SAG的NoBS組的骨化明顯優(yōu)于其他組，組織學(xué)證據(jù)進一步支持了放射學(xué)檢查結(jié)果，并通過使用蘇木精和曙紅（H＆E），Masson三色染料和免疫組化染色證實了骨再生。這表明NoBS與骨誘導(dǎo)化合物SAG結(jié)合可以更快更有效地治愈骨缺損。
總結(jié)
NoBS具有生物相容性和多功能特性，包括可注射性，自我修復(fù)，可模塑性，抗菌和抗氧化活性以及可誘導(dǎo)骨骼再生的骨誘導(dǎo)能力。NoBS具有出色的生物相容性，并具有作為細(xì)胞傳遞載體的潛力。NoBS通過調(diào)節(jié)Wnt /β-catenin通路表現(xiàn)出強大的骨誘導(dǎo)能力，并且將SAG加載到NC中可激活Hedgehog通路，從而增強性能。最后，NoBS促進了小鼠顱骨臨界缺損中的骨再生。這種具有自然靈感的具有多種形式的水凝膠骨密封劑的設(shè)計可實現(xiàn)更安全，更快的骨再生，并避免了阻礙再生過程的典型障礙，并為骨組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的新治療方法提供了理想的骨替代品。
