骨組織工程支架被認為是解決快速增長的骨植入物需求的一種有前途的策略，但開發(fā)能夠模仿骨細胞外基質結構并具有合適的機械性能和多種生物活性的支架仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。近日，暨南大學化學與材料學院羅丙紅教授團隊以改性木材作為基體，通過聚多巴胺（PDA）在其表面上修飾殼聚糖季銨鹽（CQS）和二甲基草酰甘氨酸（DMOG），開發(fā)了一種具有各向異性多孔結構、高彈性、以及良好的抗菌、成骨和血管生成活性的木材衍生復合支架（圖1）。同時，在這項研究中，作者還發(fā)現(xiàn)活性DMOG可以和支架的力學特性協(xié)同增強骨髓間充質干細胞（BMSCs）中YAP/TAZ的表達，從而有效促進成骨分化。相關工作發(fā)表在Advanced Healthcare Materials上（影響因子11.092）。暨南大學化學與材料學院羅丙紅教授為論文唯一通訊作者，化學與材料學院2020級研究生陳嘉晴為論文第一作者。
眾所周知，骨ECM由高度有序的交聯(lián)膠原纖維陣列組成，表現(xiàn)出典型的各向異性力學特性和多孔結構。同時，具有類骨ECM各向異性多孔結構的支架無疑有利于營養(yǎng)物質的輸送、細胞的遷移和排列，并能夠為血管的形成提供足夠的空間。此外，適當?shù)膹椥詫墙M織工程支架也具有重要意義，不僅可以影響細胞的成骨分化行為，也影響骨修復支架的實際應用。因此，設計一種具有類骨細胞外基質結構、合適的力學性能和生物學功能的支架有著重要意義。
圖1 木材衍生復合支架的設計思路和生物活性
天然木材有著與天然骨骼非常相似的多尺度層次結構，而且木材中取向的纖維素纖維通道有利于水和營養(yǎng)物質的運輸。此外，經過堿性溶液改性后的天然木材硬度下降，并具有良好的柔韌性和彈性。以該改性木材為基體制備的木材衍生復合支架有著良好的壓縮性能，同時，它可以在10%的恒定應變下承受200次壓縮/釋放循環(huán)，并在壓力釋放后迅速恢復其原始形狀，而且，與第1次循環(huán)相比，第200次循環(huán)的最大應變沒有明顯下降（圖1）。
圖2 木材衍生復合支架的壓縮性能
體外細胞實驗表明，該木材衍生復合支架不僅能夠有效促進BMSCs的堿性磷酸酶分泌和鈣結節(jié)形成，還可以上調BMSCs中成骨相關基因的表達，具有優(yōu)異的成骨活性。從機理上分析，一方面，該木材衍生復合支架的各向異性和彈性基體可通過調節(jié)細胞中YAP/TAZ轉錄因子的活性來影響細胞鋪展黏附和成骨分化，另一方面，DMOG可以通過抑制細胞內脯氨酰羥化酶（PHDs）的活性來阻止缺氧誘導因子（HIF-1α）的降解，在正常氧張力下激活細胞內的HIF-1α并誘導其下游基因表達，促進細胞的成骨分化。另外，作者還發(fā)現(xiàn)活性DMOG可以通過上調BMSCs中的Runx-2來進一步促進細胞中YAP/TAZ的表達（圖3）。
圖3木材衍生復合支架促進BMSCs成骨分化
之后，作者探究了所制備木材衍生復合支架的成血管活性，結果表明，該木材衍生復合水凝膠表現(xiàn)出良好的促進雞胚絨毛尿囊膜模型（CAM）血管生成的能力，而且可以有效誘導人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）的小管形成和HUVECs中血管生成相關基因的表達，具有良好的促血管生成活性（圖4）。
圖4 木材衍生復合支架的促血管生成活性
作者還提到，天然藥物DMOG可以協(xié)同支架的力學特性增強BMSCs中YAP/TAZ的表達，從而高效促進BMSCs的成骨分化。這種木材衍生的新型復合支架具有優(yōu)異的彈性、結構與力學上的各向異性以及良好的抗菌、成骨和血管生成特性，有望為骨修復的治療提供一種全新的材料。
該工作得到了國家面上項目、省面上項目和省科技計劃項目等的大力支持。
論文全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adhm.202300122
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