Advanced Materials:用于原位骨再生的纳米硅-胶原仿生支架 —-向无细胞、一步式植入手术迈进

修复巨大骨缺损目前仍然是一个巨大的挑战。尽管自体骨移植是临床的金标准,同种异体骨移植物有疾病传播和免疫排斥反应的潜在风险。搭载细胞的组织工程骨支架为患者提供了仿生骨的选择。然而,这种方法常常需要对待接种的细胞进行大量的体外处理,并施以生长因子以增强成骨活性,因此有短半衰期、价格昂贵、免疫原性、毒性和致瘤风险,也不利于临床转化和骨修复再生产品上市前的注册证申报和审批。为了解决这些问题,利用受者的内源性细胞进行原位骨组织再生是一种具有良好前景的骨修复手段。这种策略要求生物支架有效地将宿主干细胞或祖细胞招募到损伤部位,同时为被招募到位的细胞分化成骨提供合适的微环境,从而实现大面积骨缺损修复的目标。北京大学第三医院运动医学研究所余家阔教授团队针对这一问题,进入了深入和系统的研究,提出通过一种稳健可靠的生物硅化法对骨胶原支架进行表面修饰,从而获得既具有均匀、稳定骨诱导表面,又具有强大成骨活性的硅化多孔胶原成骨支架,为治疗巨大骨缺损提供一种具临床转化潜力的技术手段。相关结果发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201904341)。

由于羟基磷灰石胶原支架存在脆性和不可吸收性的弊端,同时考虑到硅离子可在促进骨髓间充质干细胞成骨分化和促进骨基质的沉积矿化中发挥重要作用,研究者尝试用硅化的胶原支架用于骨缺损修复。目前的氧化硅-胶原支架制备方法,首先因为含硅无机物被胶原基质包封而限制了硅离子的充分释放,不利于与周围细胞的直接相互作用;其次,未能充分对骨表面的形貌和多孔结构进行充分仿生,因此对于维持细胞-材料生物物理相互作用需要进行进一步优化改进。

该研究通过对猪脱钙松质骨(DCB)胶原支架进行简便易行的表面硅化修饰处理,获得具有稳健骨诱导活性的纳米硅-胶原(nSC)支架。该支架具有如下特点:1)纳米硅-胶原支架的表层和内部的多孔表面都修饰上均匀、稳固的纳米硅涂层;2)物理和化学仿生的支架表面有利于宿主间充质干细胞(MSC)的招募、增殖、成骨和基质矿化,从而赋予nSC 支架良好的骨诱导活性;3)无需使用外源性MSC 或生长因子,仅需一步法手术植入骨缺损即可通过内源性骨再生修复骨缺损。

这种稳健、有效、简单的支架表面修饰方法能够模拟天然骨的生物化学成分、生物物理结构,从而再造骨细胞外基质(ECM)的独特微环境,有利于招募宿主MSC 进行原位骨修复。这种修饰方法温和、稳定,且具有很好的渗透性,能够广泛应用于制备大体积、结构复杂的多孔组织工程骨支架,在治疗巨大骨缺损中具有良好的临床转化潜力。