近期，華中科技大學的張勝民教授團隊和南方科技大學蔣興宇教授團隊在 Biomaterials期刊上發表了「Bioinspired membrane provides periosteum-mimetic microenvironment for accelerating vascularized bone regeneration」的文章。
摘要：在骨損傷的癒合過程中，骨膜在血管化，骨化和重塑中起著關鍵作用。然而，很少有研究集中在仿效骨膜的人工植入物的構造上。為了模擬天然骨膜或骨膜內組織在骨再生中的主要作用，這裡研究者提供了一種具有仿生功能的仿生膜，具有特定部位的礦化微模式。通過使用印刷的羥基磷灰石納米粒子（HANPs），生物礦化磷灰石的選擇性生長以及與生長因子的原位共沉澱相結合來生成微圖案。仿生膜可以通過釋放磷酸鈣和生長因子來持續地提供類似骨膜的微環境，例如用於細胞募集和誘導細胞分化的長期地形學指導。證明了在這種仿生膜上的大鼠間充質幹細胞（rMSCs）表現出高度對齊的組織，導致增強的血管生成和成骨作用。在大鼠顱骨缺損模型中，具有生物礦化微模式的仿生膜可以顯著增強血管化骨化並加速新骨的形成。當前的工作表明，具有特定生物礦化微模式的功能仿生膜可以成為骨膜自體移植的有前途的替代方法，在整形外科中從臺到床的翻譯潛力很大。
文章簡述
骨膜依賴性骨移植修復的過程是通過引導幹細胞募集，提供必需營養素以及誘導血管生成和成骨。為了模擬天然骨膜的這些功能，在本研究中，開發了一種具有仿生微環境的骨膜樣材料，用於操縱幹細胞行為和骨骼再生。隨著微圖案的構建以及通過微接觸印刷的材料轉移，礦化的HANP被成功地分配為廣泛排列的微圖案。可以將微圖案化的HANP固定在明膠膜上。此外，這種方法適用於在各種生物醫學材料（例如PLGA和HA水凝膠）中生成高度排列的HANPs微圖案，因此可以擴展到組織修復中的其他應用。在體外礦化之後，可以在膜表面顯著增強微圖案。作者證明了整合的HANPs可以作為礦物種子，並指導磷灰石和蛋白質的位點特異性共沉澱。通過選擇性礦化，可以進一步提高微圖案磷灰石和蛋白質的耐久性。利用如此廣泛分布和穩定的微模式，作者認為形成了更有利的微環境，以調節幹細胞行為並以更可持續的方式誘導組織癒合。
具有礦化的HANP的工程微圖案
具有礦化圖案的仿生膜的形態
天然細胞外基質（ECM）提供了高度組織化的微環境，對於缺損修復部位的間充質細胞的粘附，增殖和分化很重要。為此，研究者優化了製造模式，以最大程度地發揮其生物物理指導和地形線索，以招募幹細胞。同時，證明了礦化的HANPs的微模式比ECM蛋白定向幹細胞更有效和持久。 Col I和FN易於從明膠表面脫離，這將導致對rMSCs生長和排列的控制不足。在特定位置礦化後，仿生膜可在微圖案區域實現可控的細胞排列。即使在14天後，細胞在生長和遷移過程中仍會根據礦化微圖案的方向嚴格地定向。因此，仿生膜可以提供長期的生物學線索，有利於細胞分化。在具有仿生模式的仿生膜上培養的rMSC表現出高度增強的成骨性和血管生成。有人提出，仿生膜不僅可以通過微模式引導細胞定向，而且可以從磷酸鈣礦物質中連續釋放出生長因子。這些組合功能可以有效地加速幹細胞分化。基於文獻和我們自己的發現，我們探索了可能的機制，解釋了在成骨和血管生成方面觀察到的改善。首先，通過細胞形態依賴性的方式誘導定向分化，其中根據微模式有效地限制了幹細胞。這種生物物理指導能夠影響粘著斑，肌動蛋白聚合和細胞骨架動力學，從而影響分化相關基因的表達。其次，通過激活模式下的鈣依賴性膜通道促進血管生成和p-AMPK途徑促進成骨，圖案下方的磷灰石層增強了幹細胞的分化。此外，與磷灰石共沉積的蛋白質（例如BMP-2或血管內皮生長因子（VEGF））可以進一步增強定向分化，這些蛋白質從磷灰石礦物質中釋放出來或由附近的早期分化細胞分泌。通過大鼠顱骨缺損修復的體內實驗，我們提供了第一個證據，可以利用礦化的HANP的地形微圖案來調節血管化的骨形成。體內結果表明，具有礦化微模式的仿生骨膜不僅促進成纖維細胞和血管的形成，而且促進大鼠顱骨缺損部位的骨化。通過形態和組成依賴的方式，仿生膜有效地募集了幹細胞並增強了局部組織的組織，隨後導致了血管生成和成骨的改善。此外，礦化的微模式促進了含鈣礦物質和分化相關蛋白的共沉澱，從而加速了血管和礦化基質的再生。這些作用協同作用，以誘導並促進受傷部位的骨組織，小梁骨以及最終成熟骨的形成。
rMSCs在礦化微圖案化上的體外粘附和排列
具有礦化微模式的仿生膜上rMSCs的成骨和血管生成分化
體內血管化成骨的評估
參考文獻
Yang G , Liu H , Cui Y , et al. Bioinspired membrane provides periosteum-mimetic microenvironment for accelerating vascularized bone regeneration[J]. Biomaterials, 2021, 268:120561.