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針對(duì)上述問(wèn)題，來(lái)自上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的鮑丙坤教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合同仁醫(yī)院、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海市第一人民醫(yī)院和香港中文大學(xué)的研究人員合作設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種高強(qiáng)度、可3D打印的明膠水凝膠支架，用于負(fù)載并緩釋HIF-1α穩(wěn)定劑Roxadustat，以實(shí)現(xiàn)對(duì)骨質(zhì)疏松骨修復(fù)過(guò)程中炎癥微環(huán)境的調(diào)控。研究采用甲基丙烯酸化透明質(zhì)酸（HAMA）與光敏化改性明膠（GelNB）為基體，通過(guò)結(jié)合傳統(tǒng)自由基聚合與團(tuán)隊(duì)自研的光觸發(fā)瞬態(tài)/持久自由基耦合（PTPC）反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了快速交聯(lián)與增強(qiáng)力學(xué)性能。該支架利用數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)制備，兼具高強(qiáng)度、生物可降解性及優(yōu)良的細(xì)胞相容性，可促進(jìn)細(xì)胞黏附、遷移與增殖。藥物Roxadustat的負(fù)載與持續(xù)釋放能有效激活HIF-1α信號(hào)通路，從而改善局部炎癥狀態(tài)并促進(jìn)成骨修復(fù)。研究結(jié)果表明，該復(fù)合水凝膠支架在調(diào)節(jié)炎癥微環(huán)境與促進(jìn)骨質(zhì)疏松骨修復(fù)方面具有顯著的綜合優(yōu)勢(shì)。該文章于2025年2月19日以《High-Strength Gelatin Hydrogel Scaffold with Drug Loading Remodels the Inflammatory Microenvironment to Enhance Osteoporotic Bone Repair》為題發(fā)表于《Advanced Materials》上（ https://doi.org/10.1002/adma.202501051 ）。

示意圖. 水凝膠工程、3D打印、藥物負(fù)載及其在骨質(zhì)疏松性骨修復(fù)中的應(yīng)用。(A) 一種高強(qiáng)度明膠水凝膠，設(shè)計(jì)用于3D打印以制造載藥支架。(B) 載藥明膠支架通過(guò)激活HIF-1α通路重塑炎癥微環(huán)境，從而修復(fù)骨質(zhì)疏松性骨缺損

（1）高機(jī)械性能明膠水凝膠的構(gòu)建

基于納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)啟發(fā)，構(gòu)建了在明膠基質(zhì)中分散的高模量HA相以提升水凝膠的力學(xué)性能。通過(guò)PTPC反應(yīng)實(shí)現(xiàn)GelNB與HAMA的快速交聯(lián)，形成分散硬相與柔性基質(zhì)的界面增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（圖1A、1B）。隨HAMA含量從1.2%增至4.8%，楊氏模量由0.57 MPa升至1.45 MPa，而拉伸應(yīng)變由438%降至128%；當(dāng)HAMA為3.6%時(shí)，抗拉強(qiáng)度與韌性分別達(dá)10 MPa和5.2 MJ·m?3，為最佳性能（圖1C、1D）。GelNB凝膠在5 mm2截面積下可承受5 kg載荷（圖1E），其強(qiáng)度與韌性均顯著優(yōu)于不同甲基化程度及摻HAMA的GelMA凝膠（圖1F、1G）。與已報(bào)道的強(qiáng)韌明膠水凝膠相比，該凝膠在強(qiáng)度與韌性間實(shí)現(xiàn)協(xié)同提升（圖1H），經(jīng)鹽析處理后強(qiáng)度可進(jìn)一步提高至15.58 MPa。循環(huán)拉伸測(cè)試顯示其彈性恢復(fù)率超過(guò)80%（圖1I、1J），壓縮斷裂強(qiáng)度達(dá)33.8 MPa（圖1K）。在不同含水量條件下仍保持較高拉伸（1.9 MPa）與壓縮強(qiáng)度（11.2 MPa）（圖1L），綜合表明GelNB凝膠兼具高強(qiáng)度、高彈性與低模量特性，適用于骨質(zhì)疏松骨修復(fù)支架的構(gòu)建。

圖1. GelNB水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能表征。（A） 通過(guò)AFM納米力學(xué)映射獲得GelNB凝膠的楊氏模量分布；（B） STEM圖像顯示GelNB凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，明場(chǎng)與HAADF圖在同一區(qū)域同時(shí)采集；（C） 不同HAMA含量GelNB凝膠的應(yīng)力–應(yīng)變曲線；（D） 根據(jù)（C）測(cè)定最大應(yīng)力與韌性（n=3，mean±SD）；（E） 截面積5 mm2的GelNB凝膠承受5 kg載荷的實(shí)物圖；（F、G） GelNB與不同甲基化程度或含HAMA的GelMA凝膠的應(yīng)力與韌性比較（n=3，mean±SD）；（H） GelNB凝膠與多種已報(bào)道明膠水凝膠的強(qiáng)度與韌性對(duì)比；（I） GelNB凝膠在循環(huán)拉伸–釋放測(cè)試中的應(yīng)力–應(yīng)變曲線；（J） 不同循環(huán)次數(shù)下的最大應(yīng)力與楊氏模量變化；（K） GelNB凝膠的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線；（L） 不同固含量GelNB凝膠的最大應(yīng)力與韌性（n=3，mean±SD）

（2）通過(guò)3D打印制造明膠水凝膠支架

GelNB凝膠在保持優(yōu)異力學(xué)性能的同時(shí)展現(xiàn)出出色的細(xì)胞相容性（圖2A）。其成膠時(shí)間小于4 s（圖2B），適用于DLP 3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)?；谠撃z制備的中空管狀支架（管徑2 mm，孔徑約600 μm）具有良好的成型精度與自支撐性，能在扭轉(zhuǎn)、彎曲和壓縮下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（圖2C、2D）。在酶溶液（膠原酶I 50 U/mL、透明質(zhì)酸酶200 U/mL）中，GelNB支架5天內(nèi)完全降解，較GelMA降解更慢，可延長(zhǎng)藥物釋放與結(jié)構(gòu)支撐時(shí)間（圖2E）。HUVEC在GelNB支架上呈良好黏附與鋪展，而在PCL與PLA支架上黏附有限（圖2F）。綜合比較，GelNB凝膠兼具高強(qiáng)度、快速成膠、可打印性、良好生物降解性與優(yōu)異細(xì)胞黏附性（圖2G），是適用于骨質(zhì)疏松骨修復(fù)的理想支架材料。

圖2. GelNB水凝膠支架的制備、降解、生物相容性與細(xì)胞黏附性能。（A） L929細(xì)胞經(jīng)GelNB與GelMA凝膠浸提液作用24 h的活性分析（n=4，mean±SD）；（B） 流變學(xué)結(jié)果顯示GelNB凝膠的成膠時(shí)間（G′>G″）小于4 s；（C） 采用GelNB凝膠3D打印的中空管狀支架及局部放大結(jié)構(gòu)；（D） 支架在扭轉(zhuǎn)與拉伸下的力學(xué)穩(wěn)定性；（E） GelNB與GelMA凝膠在酶溶液（膠原酶I 50 U/mL，透明質(zhì)酸酶200 U/mL）中的降解曲線（n=3，mean±SD）；（F） HUVEC在GelNB、PCL及PLA支架表面的黏附差異，經(jīng)活/死染色共聚焦成像獲得；（G） 比較GelNB、GelMA、金屬及可降解高分子材料在力學(xué)性能、可加工性、柔順性、細(xì)胞黏附、降解性與生物相容性方面的綜合表現(xiàn)

（3）GelNB凝膠支架裝載并逐漸釋放藥物，促進(jìn)骨質(zhì)疏松大鼠的骨修復(fù)

將Roxadustat摻入GelNB前驅(qū)溶液制備藥物負(fù)載支架（Gel@Rox），其Roxadustat濃度分別為0、20、40和80 mM，對(duì)應(yīng)Gel、Gel@Rox20、Gel@Rox40和Gel@Rox80組。隨藥物濃度增加，支架顏色由透明轉(zhuǎn)為乳黃色（圖3A）。藥物釋放曲線顯示，Gel@Rox20和Gel@Rox40分別在13 d和17 d內(nèi)釋放約90%藥物，而Gel@Rox80維持近1 個(gè)月的持續(xù)釋放（圖3B）。SEM顯示藥物釋放后支架形成層次多孔結(jié)構(gòu)（圖3C）。在骨質(zhì)疏松大鼠股骨缺損模型中（圖3D），Micro-CT結(jié)果表明Gel@Rox支架促進(jìn)新骨形成，BV/TV和Tb.N隨藥物濃度升高而增加，其中Gel@Rox80效果最顯著（圖3E–G）。HE與Masson染色顯示，4 周時(shí)Gel@Rox80組已基本無(wú)纖維骨痂，支架內(nèi)新骨生成明顯；8 周時(shí)Gel@Rox40與Gel@Rox80組新骨與支架融合良好，優(yōu)于對(duì)照與Gel組（圖3H）。結(jié)果表明Gel@Rox支架兼具良好生物相容性與成骨導(dǎo)向性，其中Gel@Rox80表現(xiàn)最佳，適用于后續(xù)機(jī)制研究。

圖3. GelNB凝膠支架的藥物負(fù)載與釋放性能及其骨質(zhì)疏松骨修復(fù)效果。（A） 不同Roxadustat濃度GelNB凝膠的形貌；（B） 含藥凝膠在不同濃度下的藥物釋放曲線（n=3，mean±SD）；（C） 含80 mM Roxadustat的GelNB凝膠在釋放前（Day 0）與PBS中釋放28 天（Day 28）的SEM圖像；（D） 骨質(zhì)疏松大鼠股骨缺損模型及支架植入示意圖；（E） 各組在術(shù)后4 周與8 周的Micro-CT三維重建圖；（F、G） 對(duì)應(yīng)的骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）與骨小梁數(shù)量（Tb.N）統(tǒng)計(jì)分析（n=5，mean±SD，*p<0.05，**p<0.01）；（H） 各組在術(shù)后4 周與8 周的HE染色圖像，虛線標(biāo)示缺損區(qū)域，Def、FCT、BT、BM及Gel分別代表缺損區(qū)、纖維性骨痂、新骨組織、骨髓及水凝膠支架

（4）Gel@Rox支架有效重塑炎癥微環(huán)境促進(jìn)骨生成

Gel@Rox支架的顯著骨修復(fù)效果與其調(diào)控炎癥微環(huán)境的能力密切相關(guān)。骨質(zhì)疏松組在術(shù)后1、4、7、10天TNF-α與IL-6水平均顯著升高，呈持續(xù)炎癥狀態(tài)；Gel支架未明顯改善炎癥水平，而Gel@Rox80組兩者均顯著下降（圖4A、4B）。Western blot結(jié)果顯示，Gel@Rox80組CD86（M1標(biāo)志物）表達(dá)下降、Arg-1（M2標(biāo)志物）升高，與免疫熒光結(jié)果一致，M1/M2比例顯著降低（圖4C），提示Gel@Rox80促進(jìn)巨噬細(xì)胞向抗炎型極化。轉(zhuǎn)錄組分析表明，HIF-1α信號(hào)通路在骨質(zhì)疏松大鼠中顯著下調(diào)，經(jīng)Gel@Rox80處理后重新激活（圖4D、4E）；Western blot進(jìn)一步證實(shí)其在炎癥期各時(shí)間點(diǎn)均顯著上調(diào)（圖4F）。綜上，Gel@Rox80通過(guò)激活HIF-1α信號(hào)通路，抑制炎癥因子表達(dá)與免疫細(xì)胞浸潤(rùn)，促進(jìn)微環(huán)境重塑及骨修復(fù)。

圖4. Gel@Rox支架對(duì)骨質(zhì)疏松大鼠骨缺損炎癥微環(huán)境的調(diào)控作用。（A、B） 各組在術(shù)后1、4、7、10天骨缺損部位TNF-α與IL-6基因表達(dá)水平（n=6，mean±SD，*p<0.05，**p<0.01）；（C） 術(shù)后第10天缺損區(qū)域CD68、INOS與CD163的免疫熒光染色；（D、E） 第4天骨缺損組織HIF-1α信號(hào)通路的基因集富集分析與熱圖比較，分別為健康組與骨質(zhì)疏松組、Gel@Rox80組與骨質(zhì)疏松組對(duì)比（n=4）；（F） 各組術(shù)后1、4、7、10天骨缺損部位HIF-1α蛋白的Western blot檢測(cè)結(jié)果