北京协和医院翁习生AM：智能热响应水凝胶，可控释放生长因子，可用于骨再生

由各种原因造成的骨缺损已经是临床上一种十分常见且严重的病症。现阶段多采用基于生长因子的治疗方式，如骨形态发生蛋白-2（BMP-2，促进新骨再生）和血小板源性生长因子-BB（PDGF-BB，诱导新血管形成、促进骨愈合和干细胞分裂）等。然而不同生长因子通常需要不同的释放速度，如BMP-2过快释放会导致过度炎症反应、异位骨形成、骨溶解、血清瘤形成和癌症风险增加等。而对于PDGF-BB，只有快速诱导生成相应的血管才有助于持续的骨再生的过程，因此需要PDGF-BB需要实现快速释放。现阶段由于一些水凝胶具有良好的生物相容性和生物可降解性，常常被用于生长因子载体材料用于控制生长因子的释放。然而，目前的水凝胶系统只是简单地结合并释放成骨和血管生成的生长因子，忽略了整个释放过程的可控性，无法匹配不同骨生长阶段的不同生长因子的需求。因此为了提升骨缺损治疗过程中药物释放的可控性，需要进一步发展出更加适应骨缺陷治疗需求的水凝胶体系。

近期，北京协和医院的翁习生、北京化工大学梁瑞政和香港城市大学谭超良联合报道了一种新型智能注射热响应水凝胶（CSP-LB），克服了现有骨缺陷水凝胶的缺陷，可以有效实现骨缺陷的治疗过程中不同生长因子的释放控制需求。该水凝胶主要是由负载有BMP-2和PDGF-BB的MgFe-LDH纳米片和壳聚糖/丝状纤维蛋白（CS）基体构成。CSP-LB水凝胶可以实现PDGF-BB的爆发性释放和BMP-2的持续释放。除此之外，MgFe-LDH在CS水凝胶不仅可以减少凝胶化时间（从300s缩减到到146s），和减少溶胶凝胶转变温度（从37.4°C减少到32.7°C），由于LDH的加入还提高水凝胶的力学性能。体内实验进一步证明，与CS水凝胶相比，CSP-LB水凝胶能显著提高骨再生能力，骨体积增加4.5倍，骨密度增加3.6倍。该工作以题为“A MgFe-LDH Nanosheet-Incorporated Smart Thermo-Responsive Hydrogel with Controllable Growth Factor Releasing Capability for Bone Regeneration”的文章发表于Advanced Materials上。

CSP-LB水凝胶的构效关系

二维（2D）层状双氢氧化物（LDHs）由于其高比表面积、优异的生物相容性和降解性以及其金属元素构成的结构，因此在药物传递、癌症治疗和组织工程等生物医学领域得到了广泛的应用。在这篇文章中，采用以带负电荷的硫酸软骨素（ChS）为连接物，通过静电相互作用使BMP-2 负载在MgFeLDH纳米片表面，实现其表面功能化。BMP-2与LDH纳米片之间相对较强的静电相互作用，从而水凝胶可以实现控制BMP-2的缓慢释放。而PDGF-BB只是分散于水凝胶中，PDGF-BB与CS水凝胶之间的相互作用较弱，因此可以实现PDGF-BB的快速释放。

为了评估热响应CS-L水凝胶是否能够保持可注射性和凝胶特性，以适应生物组织中不规则形状和缺陷，实验通过使用针头将热响应CS-L水凝胶注射到猪组织的缺陷中进行了体内测试。注射后，即使是对于具有不同形状缺陷的猪肉组织，水凝胶溶液也能在注射后快速填充缺陷，并在37°C水浴条件下成功固化。这些结果证明了CS-L水凝胶的可注射性和热响应性凝胶性能。LDH的加入还提升了水凝胶的力学性能，CS-L样品的压缩模量比CS样品增加了10.2倍存，而储模量加12倍。

CSP-LB水凝胶骨缺陷治疗应用研究

利用碱性磷酸酶（ALP）和茜素红S染色法来评价与水凝胶的促进成骨的性能。体外实验证明，，与CS水凝胶相比，CSP-LB水凝增加4.9倍的碱性磷酸酶（ALP）活性，11倍的茜素红染色和10.7倍细胞迁移率的增强，这些结果表明，具有持续释放生物活性离子和BMP-2的CSP-LB水凝胶在体外具有良好的成骨潜能。

为了进一步评价这些水凝胶在体内的成骨特性，在新西兰兔身上实现对颅骨缺损治疗。分别用CS、CS-L、CSBP-L和CSP-LB水凝胶进行修复缺陷。水凝胶植入0、4和8周后，，CSPLB组骨再生明显增强，其特征是颅骨缺损区域钙化和硬组织形成。在第8周，CSBP-L和CSP-LB组均观察到从周围到缺损区中心的大量新骨形成，但CSP-LB组在骨缺陷处出现了更明显的再生骨组织。与CS组相比，CSP-LB组的骨体积增加了4.5倍，骨密度增加了3.6倍，总再生骨量增加了16.2倍。以上实验结果证明了CSP-LB水凝胶的有效性。

小结：该工作创造性地在生长因子水凝胶体系中引入了BMP-2功能化的MgFe-LDH纳米片，制成了能有效控制不同生长因子释放速度的智能水凝胶体系，克服了一直以来水凝胶-生长因子治疗体系的缺陷。LDH纳米片加入CS水凝胶明显降低了凝胶化时间和溶胶-凝胶转变温度，增加了水凝胶的力学性能，并且可以持续释放BMP-2，以及生物所需的Mg2+和Fe3+，使得该水凝胶具有血管生成和成骨能力。

封面来源：图虫创意