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論文分享 | 耐思基質(zhì)膠助力血管生成研究，骨植入物固定強度提升近2倍

文章名稱：A Pseudo-Mytilus Edulis Foot Protein-Based Hydrogel Adhesive with Osteo-Vascular-Immune Coupling Effects for Osteoporotic Bone-Implant Integration

中文名稱：一種基于“擬貽貝足蛋白”的水凝膠粘合劑：通過骨-血管-免疫耦合效應，用于骨質(zhì)疏松性的骨- 植入物整合

雜志名：Advanced Materials

期刊影響因子：

第一作者：Wentao Wang
通訊作者：Jiaxiang Bo
發(fā)表日期：2025.11

https://doi.org/10.1002/adma.202511840



研究內(nèi)容

概述：

在骨質(zhì)疏松患者中，骨植入物初始穩(wěn)定性往往很差，再加上骨-植入界面巨噬細胞偏向促炎的M1表型，使得骨-免疫穩(wěn)態(tài)和血管生成受到破壞，最終導致植入物松動或失敗。
受海洋貽貝（Mytilus edulis）足部蛋白粘附機制的啟發(fā)，本文開發(fā)了一種 pH 響應型多功能骨膠（稱為 YDC-Gel-Zn），它具有廣譜粘附能力，用于改善骨質(zhì)疏松條件下的骨-植入物整合。
這種仿生骨膠通過富含兒茶酚的序列實現(xiàn)雙界面粘附：①與金屬植入物形成穩(wěn)定的金屬-酚配位 ②與骨基質(zhì)通過氫鍵和邁克爾加成作用相互作用，從而增強初始固定力。
在骨質(zhì)疏松炎癥微環(huán)境下，硼酸酯鍵和金屬-酚配位鍵逐步斷裂，使得Zn2? 和促血管/促骨肽（YDC）可控釋放。釋放的 Zn2? 能調(diào)節(jié)谷胱甘肽代謝，抑制JAK1/STAT1/NLRP3炎癥小體的激活，減少促炎細胞因子的產(chǎn)生，并重新校準骨-血管-免疫微環(huán)境。
由于對骨再生和血管生成有積極影響，該骨膠在骨質(zhì)疏松大鼠模型中表現(xiàn)的固定強度大幅提高，能達到93%的健康骨-植入穩(wěn)定性。


簡要

該研究開發(fā)了一種仿貽貝足蛋白的pH 響應型骨粘合水凝膠YDC-Gel-Zn，通過在炎癥微環(huán)境中釋放Zn2? 和促骨/促血管肽來改善免疫與血管環(huán)境，從而顯著增強骨質(zhì)疏松條件下骨植入物的初始固定和整合。


研究背景

臨床上骨質(zhì)疏松會導致骨密度降低和血管生成不足，使骨植入物（如釘/螺釘/關(guān)節(jié)假體）的初期穩(wěn)定性差，易松動，并伴隨炎癥反應。其原因包括：植入物與骨組織間穩(wěn)定性不足、局部炎癥微環(huán)境（M1巨噬細胞過度激活）以及缺乏有效的免疫-血管-骨多維調(diào)控策略等。應對這一問題，本文提出需要創(chuàng)造一種既能機械粘附又能生物功能調(diào)控炎癥與促進血管/骨再生的智能生物粘合材料。該策略受海洋貽貝足部蛋白粘附機制啟發(fā)，并結(jié)合生物活性分子設(shè)計了一款新型粘合水凝膠。



實驗方案

1.水凝膠材料的構(gòu)建與表征

以擬貽貝足蛋白結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，引入富含兒茶酚基團的粘附單元，并通過可逆硼酸酯鍵構(gòu)建動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，同時負載Zn2? 與功能性生物活性肽，制備得到Y(jié)DC-Gel-Zn水凝膠。通過流變學測試、力學拉伸與壓縮實驗，系統(tǒng)評估其粘附強度、力學穩(wěn)定性、自修復能力及環(huán)境響應特性。
2.界面粘附與環(huán)境響應測試
測試了水凝膠在濕潤環(huán)境下對鈦植入物和骨組織的雙界面粘附能力，驗證其在模擬體內(nèi)條件下的穩(wěn)定性。同時，通過調(diào)節(jié)pH條件模擬骨質(zhì)疏松相關(guān)的炎癥微環(huán)境，評估Zn2? 和活性肽的響應性釋放行為。
3.體外細胞實驗設(shè)計
在體外實驗中，分別選用骨髓間充質(zhì)干細胞、內(nèi)皮細胞和巨噬細胞模型，系統(tǒng)評估水凝膠對成骨分化、血管生成及免疫極化的調(diào)控作用。通過檢測ALP活性、礦化結(jié)節(jié)形成、內(nèi)皮管腔結(jié)構(gòu)以及M1/M2巨噬細胞標志物表達，解析其多通路生物效應。
4.體內(nèi)動物模型驗證
在體內(nèi)實驗部分，采用去卵巢（OVX）骨質(zhì)疏松大鼠模型，將涂覆水凝膠的鈦植入物植入股骨區(qū)域。通過micro-CT成像、組織學染色、免疫熒光分析及推拉力學測試，系統(tǒng)評估植入物周圍的骨形成、血管生成、炎癥狀態(tài)及力學固定強度。

CARmRNA@aCD206 sEVs制備過程示意圖


CARmRNA@aCD206在肺轉(zhuǎn)移癌中的靶向遞送及抗腫瘤機制。


實驗結(jié)果

1.仿生粘附性能顯著提升植入穩(wěn)定性

基于擬貽貝足蛋白結(jié)構(gòu)的水凝膠在濕潤環(huán)境下對骨組織和鈦植入物均表現(xiàn)出強粘附能力，可在植入早期提供穩(wěn)定界面，為后續(xù)組織整合奠定基礎(chǔ)。
2.免疫微環(huán)境得到有效調(diào)控
水凝膠通過Zn2?的響應性釋放抑制M1型巨噬細胞極化，減輕炎癥反應，改善骨質(zhì)疏松條件下不利的免疫微環(huán)境。
3.促進成骨分化與新骨形成
該材料顯著增強間充質(zhì)干細胞的成骨分化能力，提高礦化水平和新骨生成質(zhì)量。
4.增強血管生成能力，實現(xiàn)骨-血管耦合
水凝膠促進內(nèi)皮細胞遷移和管腔形成，實現(xiàn)血管生成與骨再生的協(xié)同增強。
5.顯著改善骨質(zhì)疏松情況下的植入效果
在骨質(zhì)疏松動物模型中，涂覆水凝膠的植入物固定強度提升約194%，接近健康骨水平，有效降低植入失敗風險。




討論
該設(shè)計提供了一種有望克服骨質(zhì)疏松條件下植入物松動失敗問題的材料策略，對未來臨床骨科植入物穩(wěn)定性改善具有重要參考價值。
該工作核心創(chuàng)新點：
? 仿生粘合策略：以偽貽貝足蛋白為設(shè)計靈感，實現(xiàn)植入物與骨組織雙界面粘附
? 智能響應釋放：在炎癥環(huán)境中釋放Zn2?與促生長肽，進行免疫-血管-骨多維調(diào)控
? 顯著效果提升：在病理條件下（骨質(zhì)疏松）顯著提升植入物固定與整合效果







論文中用到的NEST產(chǎn)品


實驗中使用到的耐思產(chǎn)品：GelNest基質(zhì)膠
涉及實驗和細胞：成血管實驗

涉及實驗和細胞：成血管實驗，HUVECs在血管生成實驗中，使用GelNest? 基質(zhì)膠 作為三維培養(yǎng)支架?；|(zhì)膠在4 ℃ 條件下緩慢解凍后，均勻鋪于預冷的24孔板中，并于37 ℃ 孵育1小時使其充分凝固，形成穩(wěn)定的三維基底。隨后將 HUVEC 細胞接種于基質(zhì)膠表面，在低血清條件下培養(yǎng)。培養(yǎng)6小時后觀察并記錄血管樣結(jié)構(gòu)的形成情況，并通過圖像分析軟件對血管生成相關(guān)參數(shù)進行定量分析，用于評估基質(zhì)膠對內(nèi)皮細胞血管生成行為的支持能力。

管形成實驗及血管生成能力圖以及定量評估







GelNest?基質(zhì)膠的優(yōu)勢


   

NEST已推出十余款GelNest?基質(zhì)膠，廣泛適用于類器官培養(yǎng)、血管生成實驗、細胞侵襲（transwell）實驗、PDX、CDX模型實驗、（PDO）腫瘤球培養(yǎng)、腫瘤移植、皮下成瘤實驗、干細胞培養(yǎng)及細胞分化研究以及其他待開發(fā)實驗類型，助力客戶完成類器官培養(yǎng)。

GelNest?基質(zhì)膠品質(zhì)高于國際標準

?由小鼠腫瘤組織中提取的基底膜成分制備而成，主要成分有層粘連蛋白、IV型膠原蛋白硫酸肝素糖蛋白等

?富含多種生長因子促進細胞分化、增殖和遷移

?可模擬生理環(huán)境中基底膜的特性，提高細胞培養(yǎng)的成功率和效果

GelNEST?基質(zhì)膠內(nèi)控標準清晰

常規(guī)基質(zhì)膠的內(nèi)毒素的含量可穩(wěn)定保持在4EU以下

選購指南


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