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南大學羅丙紅教授團隊《Compos. Part B-Eng.》：黑磷納米片協同光熱效應促細胞礦化和骨再生

2024-03-12 來源：高分子科技

天然骨是一種高度礦化的有機/無機復合材料，通過液晶膠原纖維網絡這一各向異性有機模板調控鈣磷礦物的沉積和礦化而形成。然而，設計具有各向異性以及足夠可用成核位點的有機模板來引導礦化和促成骨仍然是一個艱巨的挑戰。近日，暨南大學化學與材料學院羅丙紅教授團隊以各向異性液晶水凝膠為基質，引入LDH@BP作為磷酸鹽礦化成核位點和光熱劑，構建了一類基于液晶相、磷酸鹽礦化成核位點以及溫和熱效應協同促進細胞礦化和骨再生的復合水凝膠骨修復材料（圖1）。

圖1 復合水凝膠骨修復材料的設計思路與成骨活性

該團隊首先制備了一種液晶水凝膠基質（LCgel），然后在水凝膠基質中引入層狀雙氫氧化物（LDH）包載的黑磷納米片（BP）(LDH@BP)，制備了一種全新的復合水凝膠（LCgel/LDH@BP）。其中，BP在生理環境下氧化降解產生的磷酸根陰離子可作為礦化成核位點，且在近紅外光（NIR）照射下產生溫和熱效應促進細胞礦化，而且，該研究首次利用具有良好生物活性的LDH負載BP，解決BP光熱穩定性差的問題（圖2）。該復合水凝膠不僅提供了一種具有液晶相各向異性的礦化有機模板，而且具有NIR響應性P和Mg²⁺釋放特性，以及40~42 ℃的光熱穩定性（圖3）。

圖2 BP和LDH@BP的制備與理化性能

圖3 LCgel/LDH@BP的制備與理化性能

體外細胞實驗表明，LCgel/LDH@BP-NIR可上調骨髓間充質干細胞（BMSC）的堿性磷酸酶活性、礦化鈣結節水平以及成骨基因（CoL-I, OCN, Runx2）表達（圖4）。進一步探究LCgel/LDH@BP-NIR誘導成骨活性的分子機制，結果表明，LCgel/LDH@BP-NIR中BP介導的溫和熱效應可激活細胞的熱休克反應，有效上調細胞的HSP70，以及其下游的調控因子ERK2和β-catenin的表達，并基于ERK-Wnt/β-catenin信號通路促進細胞礦化及其介導的骨再生（圖5）。

圖4 復合水凝膠體外促成骨分化研究

圖5 復合水凝膠的成骨機制研究

動物實驗結果表明，與對照組相比，LCgel/LDH@BP-NIR周圍新生成的礦化骨組織面積明顯增加，且礦化骨組織分布致密、排列良好（圖6）；LCgel/LDH@BP-NIR表現出上調的CoL-I和OCN陽性表達，再次表明其優異的成骨活性（圖7）。

圖6 液晶水凝膠的體內成骨活性

圖7體內免疫組化分析

相關工作以“Abundant Nucleation Sites-Available Liquid Crystal Hydrogel Mimics Bone ECM Mineralization to Boost Osteogenesis”為題發表在 Composites Part B上（影響因子13.1）。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2021級博士生李琳為論文第一作者。該工作得到了國家自然科學基金面上項目、省自然基金面上項目和省科技計劃項目等的大力支持。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359836824001513

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（責任編輯：xu）

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