尽管组织诱导生物材料和骨组织工程支架领域都取得了相当的进展，但实现理想的新骨再生和功能重建仍是一个重大挑战。骨缺损区域包含多种细胞谱系，如成纤维细胞、巨噬细胞、血管内皮细胞、间充质干细胞等。这些细胞之间相互作用的不平衡可能导致过度炎症、血管化异常，最终阻碍骨缺损修复。因此，这些动态和复杂的生物学反应需要支架成分与细胞活动之间的密切协调。
为此，北京化工大学先进复合材料研究中心蔡晴教授/喻盈捷副教授团队开发了一种离子工程化的可注射多孔微晶胶支架（GMN）。课题组前期通过体外实验对镁、硅离子的配比进行筛选，发现当镁/硅（Mg/Si）离子浓度为2:1时，表现出最强的协同作用（Advanced Functional Materials 2022, 32, 2113280）。本研究进一步利用乳化和冷冻凝胶技术制备了至少在20天内能以2:1优化比例持续释放Mg/Si离子的GMN，深入系统地表征了其对血管化骨再生过程中不同细胞相互作用的直接和间接影响。研究发现从支架释放的Mg/Si离子可调控BMSCs和HUVECs之间以及BMSCs和巨噬细胞之间的串扰，激活成骨-血管生成耦合，促进早期血管萌发和成骨分化，同时创造利于组织修复的免疫调节微环境。该研究以“Ion-Engineered Microcryogels via Osteogenesis-Angiogenesis Coupling and Inflammation Reversing Augment Vascularized Bone Regeneration”为题发表在《Advanced Functional Materials》上（10.1002/adfm.202400745）。文章第一作者是北京化工大学在读博士生王玥。该研究得到国家自然科学基金委和北京市自然科学基金委等多方支持。本研究将纳米粘土（Na+0.7[(Mg5.5Li0.3) Si8O20(OH)4]-0.7）和碳酸镁（MgCO3）嵌入甲基丙烯酸酐改性明胶（GelMA）基体中制备可注射微晶胶（GMN），以2:1的稳定摩尔比递送Mg/Si离子。使用乳化和冷冻凝胶技术制备的微晶胶具有优异的形状回复性，易于注射，并为细胞/组织生长提供相互连接的多孔结构。通过BMSCs/HUVECs-微晶胶间接共培养系统研究了GMN释放的Mg/Si离子对成骨细胞谱系及内皮细胞的调控作用。结果表明，GMN微晶胶不仅可以直接促进BMSCs和HUVECs的分化，还可通过旁分泌效应促进细胞释放生物因子间接调控细胞行为，这种双重作用协同增强了成骨-血管生成耦合。图3 在微晶胶诱导下BMSCs和HUVECs间接共培养系统中的成骨-血管生成耦合。利用植入支架调节巨噬细胞极化是骨免疫调节的关键靶点。通过BMSCs/RAW264.7-微冷冻凝胶共培养系统，研究了微晶胶调控下成骨分化与炎症反应之间的动态耦合。结果表明，GMN可通过BMSCs的旁分泌作用上调巨噬细胞M2表型极化，而抗炎M2表型巨噬细胞将成骨增强因子分泌到条件培养基中，促进了BMSCs的成骨分化。图4在微晶胶诱导下BMSCs和RAW264.7间接共培养系统中的成骨-免疫调节耦合。最后，采用大鼠颅骨5 mm缺损模型，证实了GMN微晶胶显著增强了体内的成血管、免疫调控、破骨细胞平衡等过程，相比于其他非2:1比例Mg/Si释放组（GM、GN），具有更快的血管化骨再生修复速率。原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202400745
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