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组织工程支架在骨修复中呈现出有效价值。然而，将不同的组件、复杂的结构和多功能集成在一起以赋予支架更好的适用性仍然是一个挑战。 间充质干细胞(MSC)具有自我更新和潜在分化成不同谱系的能力，包括成骨、软骨形成和脂肪形成。因此，基于MSCs的疗法已被认为是骨再生的一种有前途的方法。
近日，来自*京大南**学医学院附属鼓楼医院蒋青教授团队联合深圳大学医学院生物医学工程系Kong Bin团队设计了一种具有光热疗法和MSCs支架用于加速小鼠颅骨缺损再生。作者将黑磷(BP)纳米片结合到fGelMA水凝胶网络中，可以赋予水凝胶在近红外(NIR)光刺激下进行光热转换的能力。
相关研究成果以“Fish scale-derived scaffolds with MSCs loading for photothermal therapy of bone defect”为题于2023年2月22日发表在《Nano Res.》上。
图1 鱼源支架的成分及其结合间充质干细胞和光热疗法的成骨功能
1. 支架的结构及其特性
SEM图像显示了鳞片图案的多样性且不均匀（图2a-b），同时，能谱扫描显示脱细胞鱼鳞富含钙和磷，可以促进成骨过程。 封装在fGelMA中的 BP 纳米片的直径在10 nm到2 μm之间变化（图2d）。fGelMA水凝胶显示出不规则的多孔内部微结构，5% fGelMA水凝胶和添加BP纳米片的水凝胶具有相似的孔径（图2e-f）。作者对5%、7.5%、10%和12.5% fGelMA水凝胶上测试了其压缩强度（图2g），由杨氏模量可知5% fGelMA适合细胞封装（图2h）。此外，作者在体外检测了fGelMA的降解特性，5% fGelMA可以快速降解（图2i-j） 。
图2 支架的结构及其特性
2. 支架的光热性能
为了确定BP纳米片对fGelMA水凝胶光热性能的影响，作者使用热像仪记录了在 1.8 W NIR 光刺激下，不同浓度BP纳米片的水凝胶的温度变化（图3a）。 fGelMA/BP 水凝胶的温度在 NIR 刺激下升高，并且在具有高浓度 BP 纳米片的水凝胶中温度升高得更快。经过测试确定fGelMA水凝胶中BP纳米片的浓度为0.075 mg/mL。在含有0.075 mg/mL BP 纳米片的fGelMA水凝胶中进行NIR照射的开/关循环测试没有表现出明显的变化（图3c）。 这些结果表明 fGelMA/BP 水凝胶的光热能力和稳定性，BP 纳米片可能是用于光热转换的优良纳米材料 。
图3 BP纳米片对fGelMA的光热性能
3. 支架的生物相容性和骨传导性
接着，作者测试了MSC是否可以在支架的不同组件中增殖。正如预期的那样，MSC 可以在组织培养处理过的平板中快速而复杂地增殖，MSC生长缓慢但稳定，几乎没有死细胞（图4a-b）。CCK-8 分析还显示了MSCs在支架成分上的活性增长（图4c）。 此外，嵌入fGelMA的MSCs自然形成网状结构（图4d）。这些结果表明鱼鳞、fGelMA水凝胶和BP纳米片对MSC具有良好的生物相容性和骨传导性 。
图4 MSCs支架成分的生物相容性和骨传导性
4. MSCs体外成骨过程
为了进一步探索MSCs在体外的成骨分化，作者在具有不同成分的支架上培养MSCs。茜素红染色可以指示MSCs的矿化过程，而支架的成分则代表不同程度的成骨促进作用。在近红外辐射下，fGelMA/BP 水凝胶中有更多更红的矿化结节（图7a-b）。 此外，BP 纳米片本身也可以促进MSCs的成骨分化（图 7c）。在大多数情况下，与fGelMA 组相比，Alpl、Bglap、Bmp2和Runx2的相对 mRNA 水平升高或相似（图7c）。在NIR光的刺激下，鱼鳞/fGelMA/BP 支架表现出相似或更高的成骨标记转录水平，表明支架具有优异的成骨效果（图7c） 。
图5 MSCs体外成骨过程
5. 支架在小鼠颅骨模型中的修复效果
为了进一步评估 fGelMA/BP/鱼鳞支架对体内骨再生过程的影响，作者将支架与MSCs和/或近红外辐射结合使用来治疗小鼠颅骨的骨缺损。通过显微CT扫描和组织学染色，支架可以极大地促进颅骨缺损区域的成骨和再生（图6）。具有BP纳米片的支架在近红外刺激下表现出更好的恢复，每周两次，温度高达42 °C左右，持续10分钟。fGelMA/BP/鱼鳞支架也是MSCs 的良好载体。嵌入MSCs的支架进一步加速了骨再生。 结合所有促进因素，嵌入MSCs并通过NIR光进行光热疗法处理的 fGelMA/BP/鱼鳞支架可显着促进骨缺损的恢复（图6a-c）。同时，装载MSCs进行近红外处理的支架也可以促进骨钙素在鱼鳞支架上的积累和周围组织的血管生成过程（图6d）。这些结果表明，鱼源性支架、光热疗法和基于MSCs的再生疗法是一种很有前途的骨再生临床策略 。
图6 NIR和MSCs支架对小鼠模型的治疗作用
综上，作者开发了一种新型的鱼源性支架移植物，它可以促进间充质干细胞的成骨，并结合光热疗法加速骨缺损的再生过程。鱼源性支架由鱼明胶、鱼鳞和BP纳米片合成的GelMA组成，具有良好的生物相容性和高骨诱导能力。此外，BP纳米片有助于提高光热转换能力，从而实现NIR光热疗法。结果证明，结合近红外辐射，支架移植物可以进一步促进成骨和骨再生。总的来说，鱼源支架可能是一种新的方法，作为复合移植物，用于MSCs增殖和近红外物理治疗骨缺损中的成骨 。
文章来源：
https://doi.org/10.1007/s12274-023-5460-1
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