骨组织工程支架被认为是解决快速增长的骨植入物需求的一种有前途的策略，但开发能够模仿骨细胞外基质结构并具有合适的机械性能和多种生物活性的支架仍然是一个巨大的挑战。近日，暨南大学化学与材料学院罗丙红教授团队以改性木材作为基体，通过聚多巴胺（PDA）在其表面上修饰壳聚糖季铵盐（CQS）和二甲基草酰甘氨酸（DMOG），开发了一种具有各向异性多孔结构、高弹性、以及良好的抗菌、成骨和血管生成活性的木材衍生复合支架（图1）。同时，在这项研究中，作者还发现活性DMOG可以和支架的力学特性协同增强骨髓间充质干细胞（BMSCs）中YAP/TAZ的表达，从而有效促进成骨分化。相关工作发表在Advanced Healthcare Materials上（影响因子11.092）。暨南大学化学与材料学院罗丙红教授为论文唯一通讯作者，化学与材料学院2020级研究生陈嘉晴为论文第一作者。
众所周知，骨ECM由高度有序的交联胶原纤维阵列组成，表现出典型的各向异性力学特性和多孔结构。同时，具有类骨ECM各向异性多孔结构的支架无疑有利于营养物质的输送、细胞的迁移和排列，并能够为血管的形成提供足够的空间。此外，适当的弹性对骨组织工程支架也具有重要意义，不仅可以影响细胞的成骨分化行为，也影响骨修复支架的实际应用。因此，设计一种具有类骨细胞外基质结构、合适的力学性能和生物学功能的支架有着重要意义。
图1 木材衍生复合支架的设计思路和生物活性
天然木材有着与天然骨骼非常相似的多尺度层次结构，而且木材中取向的纤维素纤维通道有利于水和营养物质的运输。此外，经过碱性溶液改性后的天然木材硬度下降，并具有良好的柔韧性和弹性。以该改性木材为基体制备的木材衍生复合支架有着良好的压缩性能，同时，它可以在10%的恒定应变下承受200次压缩/释放循环，并在压力释放后迅速恢复其原始形状，而且，与第1次循环相比，第200次循环的最大应变没有明显下降（图1）。
图2 木材衍生复合支架的压缩性能
体外细胞实验表明，该木材衍生复合支架不仅能够有效促进BMSCs的碱性磷酸酶分泌和钙结节形成，还可以上调BMSCs中成骨相关基因的表达，具有优异的成骨活性。从机理上分析，一方面，该木材衍生复合支架的各向异性和弹性基体可通过调节细胞中YAP/TAZ转录因子的活性来影响细胞铺展黏附和成骨分化，另一方面，DMOG可以通过抑制细胞内脯氨酰羟化酶（PHDs）的活性来阻止缺氧诱导因子（HIF-1α）的降解，在正常氧张力下激活细胞内的HIF-1α并诱导其下游基因表达，促进细胞的成骨分化。另外，作者还发现活性DMOG可以通过上调BMSCs中的Runx-2来进一步促进细胞中YAP/TAZ的表达（图3）。
图3木材衍生复合支架促进BMSCs成骨分化
之后，作者探究了所制备木材衍生复合支架的成血管活性，结果表明，该木材衍生复合水凝胶表现出良好的促进鸡胚绒毛尿囊膜模型（CAM）血管生成的能力，而且可以有效诱导人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的小管形成和HUVECs中血管生成相关基因的表达，具有良好的促血管生成活性（图4）。
图4 木材衍生复合支架的促血管生成活性
作者还提到，天然药物DMOG可以协同支架的力学特性增强BMSCs中YAP/TAZ的表达，从而高效促进BMSCs的成骨分化。这种木材衍生的新型复合支架具有优异的弹性、结构与力学上的各向异性以及良好的抗菌、成骨和血管生成特性，有望为骨修复的治疗提供一种全新的材料。
该工作得到了国家面上项目、省面上项目和省科技计划项目等的大力支持。
论文全文链接：https://doi.org/10.1002/adhm.202300122
来源：高分子科学前沿
关键词：
木材衍生复合支架
骨修复支架
