【背景了解】
水凝膠是一類在3D聚合物網絡中存儲大量水的軟質材料，具有柔韌性，低摩擦力以及小分子和離子的高滲透性。雙網絡（DN）水凝膠，是堅韌水凝膠類別中的代表含有約90 wt％的水，具有與軟骨相當的模量，強度和韌性。堅韌的水凝膠的發明提供了治療諸如關節等人體關節受傷組織的新策略。軟骨，半月板和韌帶，使用各種人造組織和植入物誘導組織再生。堅韌的DN水凝膠是軟支撐組織（如軟骨和韌帶）的有希望的替代品。對於這樣的應用，通過醫學上可行的方法將水凝膠牢固地固定在骨骼上是必不可少的。已經有證明將DN水凝膠牢固地結合到兔的缺損骨骼上是成功的。DN水凝膠表面層上包覆的磷酸氫鈣氫氧化鈣鹽的低結晶羥基磷灰石（HAp）導致自發性成骨作用滲透到半透性水凝膠中，形成凝膠/骨複合層。
【科研摘要】
近日，日本北海道大學Takayuki Nonoyama（譯名野山孝之）和華人龔劍萍教授團隊將44Ca同位素摻雜的HAp/DN水凝膠植入兔股骨缺損中，並使用同位素顯微鏡通過追蹤鈣同位素比來分析凝膠/骨界面的動態成骨過程。相關成果Isotope Microscopic Observation of Osteogenesis Process Forming Robust Bonding of Double Network Hydrogel to Bone發表在德國Wiely雜誌的《Advanced Healthcare Materials》上。DN凝膠表層上雜交的合成HAp在頭兩周因炎症迅速溶解，然後在凝膠區域開始形成具有梯度結構的未成熟骨骼，從而重新利用溶解的Ca離子。這些結果首次揭示了合成的HAp被重新用於成骨。這些事實有助於了解可吸收骨骼的材料的壽命，並闡明水凝膠自發，無毒但牢固固定在骨骼上的機制。
【圖文解析】
圖1顯示了製備44HAp/DN凝膠（圖1a），植入並評估植入的HAp在體內成骨作用中的再利用的實驗程序的示意圖（圖1b）。圓柱形DN凝膠塞在側壁側壁的表面層中雜有44HAp納米顆粒，被植入雙側股關節兔股溝中形成的骨軟骨缺損中。在手術後第2、4、6和12周收穫具有周圍松質骨組織的44HAp/DN凝膠植入物，並將在低溫下使用低溫恆溫器加工的橫向平面中14微米厚的切片放置在矽片上。解凍和乾燥的切片通過金蒸發塗覆。用同位素顯微鏡觀察了44HAp/DN凝膠與兔松質骨之間的邊界。
圖1. 備植入樣品以進行同位素顯微鏡觀察的實驗程序。a）通過交替浸泡K2HPO4和含有10％44CaCl2的CaCl2來將44HAp塗層塗覆到DN凝膠塞的表面。b）將44HAp包被的DN凝膠植入兔髕股的缺損股骨滑車，以及切片樣品在橫向平面上的示意圖和光學顯微圖像。
切片標本的光學顯微圖像顯示44HAp/DN凝膠塞的中心圓區域和周圍的松質骨（圖2）。 在第2周觀察到凝膠和骨骼之間有明顯的間隙，如圖中紅色箭頭所示（圖2a-i）。在第4周觀察到凝膠和骨骼之間的微小連接，如圖中紅色箭頭所示（圖2b-i）。幾乎沒有觀察到間隙，並且在6周時大部分接口都已連接（圖2c-i）。接口在12周時已完全連接（圖2d-i）。即使是在2周和4周的樣品中，也沒有觀察到大的間隙，因為將直徑為4.5 mm的凝膠塞壓入所產生的缺陷（內徑為4.3 mm）中。由於44HAp/DN凝膠塞在邊界處的骨組織粘附較少，在切片的乾燥過程中出現了間隙。隨著植入時間的延長，44HAp塗層區域變得不清楚，表明HAp隨時間溶解和擴散。
圖2 光學顯微圖像和同位素顯微圖像。光學顯微圖像（i），40Ca（ii）和44Ca（iii）映射的原始圖像以及在2 a），4 b），6 c）和12 d）處44Ca/40Ca比值（iv）的顏色映射周。紅色箭頭指示骨骼和凝膠之間的邊界。同位素圖像（ii–iv）在紅色方塊處獲取。海綿植入的44HAp/DN凝膠的整體光學顯微圖像是通過重建許多顯微圖像獲得的。
為揭示植入物HAp在成骨中的再利用，進一步研究了邊界周圍44Ca / 40Ca的線輪廓。由於44HAp逐漸溶解和擴散，因此很難從44Ca/40Ca線輪廓識別凝膠和骨骼之間的初始邊界。或者，作者使用DN凝膠的PAMPS 1st網絡中包含的硫元素來確定初始邊界。可以肯定的是，DN凝膠在如此短的植入時間內不會降解，因此硫的線形不會隨時間變化。圖3a顯示了通過同位素顯微鏡測得的44Ca/40Ca比的線形圖，以及通過能量色散X射線光譜法（EDS）在邊界區域測得的鈣和硫的強度。對於在不同植入時間收穫的所有樣品，均觀察到歸一化硫強度的急劇下降（紅色曲線），這確定了凝膠和骨骼之間的初始邊界位置，並在圖3a中設置為零位置。 凝膠區域和骨骼區域分別以藍色和橙色突出顯示。 儘管未收集到第2周邊界周圍的44Ca/40Ca輪廓（黑色曲線）（圖3a-i），但從相應的成像數據中推測出相對清晰的線輪廓（圖2）。
圖3 a）通過同位素顯微鏡測量的44Ca/40Ca比的線形圖，通過EDS測量的歸一化硫和鈣強度。位置的起點定義為硫強度急劇下降到零的位置。藍色，橙色和陰影紫色分別是凝膠，預先存在的骨骼和新骨骼區域。基於從映射圖像生成的線輪廓的參考，繪製了44Ca/40Ca曲線中的虛線部分。 b）在44HAp包被的DN凝膠下表面44Ca / 40Ca比值的時間變化。44Ca/40Ca的特徵衰減時間為16.0天，接近編織骨形成的時間（約2周）。擬合曲線的R2為0.999。c）根據（a，b）的結果，使用44HAp/DN凝膠植入物進行的初次骨骼重塑的示意圖。由於手術後的植入環境由於發炎而呈酸性，因此44HAp迅速溶解為鈣離子和磷酸根離子，這些離子部分擴散到骨骼區域，如（b）所示。2周後，炎症得以緩解，成骨細胞利用溶解的44Ca離子生成成骨細胞，如（a）所示。如（b）所示，未成熟的44骨的形成是阻止離子擴散的物理屏障，可防止44Ca/40Ca在以後的時間遞減。
從44Ca/40Ca的時間演變，作者可以估計成骨相對早期體內植入HAp的特徵時間。圖3b顯示了在線輪廓=-60 m的位置處的44Ca/40Ca作為注入周期的函數。基於以上結果，作者提供了使用44HAp/DN凝膠植入物進行初次骨骼重塑的示意圖，如圖3c所示。植入HAp/DN凝膠後，會發生炎症，這會導致HAp溶解，因為環境pH值會因炎症而變成酸性。
參見文獻：
doi.org/10.1002/adhm.202001731
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