在组织修复领域，对于高效制造具有特定尺寸、形状和结构的三维多功能生物材料的需求日益增长。然而，同时也面临着诸多挑战。特别是颅面骨缺损，由于其呈现复杂的形态，并涉及与不同组织界面间的整合，成为组织修复中一项重大难题。目前，研究者们为了应对这一挑战，尝试开发了骨再生支架以模拟骨膜的屏障功能及其分级孔隙结构来调节并促进骨愈合过程。然而仍存在一些关键问题未解决，目前大部分支架只能模拟天然骨膜结构但无法阻止软组织细胞侵袭从而限制内部营养转运。另一方面，现有支架的结构设计往往忽略了多孔结构对骨愈合生物学过程早期启动的调控，进而导致骨愈合的延迟。基于此，来自中山大学的吴淑仪主任、吴丁财教授以及李彦主任团队利用聚乳酸
-
羟基乙酸共聚物（
PLGA
）的结构可塑性以及黄芩素（
BCL
）的促血管生成、促成骨特性，通过结合个性化负模技术和相分离策略，创建了具有多孔结构的
PLGA/BCL
支架（
PLGA/BCL-S
）。不仅可以有效建立骨膜样的屏障，防止纤维组织细胞侵入骨缺损区域，还可以通过缓释
BCL
有效协同分级多孔结构，使支架具有良好的促血管生成和促成骨作用，从而为骨修复材料以及其他组织修复材料的分级设计、个性化制备和临床应用提供一种新方法（图
1
）。
首先，研究者通过扫描电子显微镜（
SEM
）发现，
PLGA/BCL-S
支架表面具有致密结构，孔径大小为
1~6 μm
，可以模拟天然骨膜的致密结构（图
2a
）。进一步的，
FTIR
光谱显示
BCL
已成功负载于
PLGA/BCL-S
支架中，且不影响其化学结构，并且支架致密的上表面和松散的底面的平均杨氏模量分别为
85.8
和
8.5 MPa
（图
2 b
，
c
）。较硬的上表面有助于促进成骨，而较软的底表面则有助于支架可以更好地贴合缺损腔。
颅颌面骨缺损通常具有复杂的形状，可导致面部或颅骨的结构异常。因此，研究者在猪下颌骨后牙区建立一个较大的牙槽骨缺损模型以模拟临床中的颅颌面骨缺损。并通过
CT
扫描进行三维重建，然后利用
CAD/CAM
技术制造具有特定结构的目标支架模具，将
PLGA/BCL/DMF
溶液在去离子水中进行相分离，然后冻干得到相应的支架（图
3
）。
BCL
是从中药黄芩中提取的一种黄酮类化合物，但其活性与浓度密切相关。因此，确定
PLGA/BCL-S
中
BCL
负载比例十分重要。因此，研究者构建了负载有
BCL 2.5 %
以及
5 %
的
PLGA/BCL-S
支架以及
PLGA/BCL5-S
支架。结果显示，
5 %
浓度的
BCL
超过了其安全阈值，会引起骨髓来源间充质干细胞（
BMSC
）的增殖抑制。因此，后续选用
2.5 %
作为材料中
BCL
添加的合适浓度（图
4a
，
b
）。通过检测支架中
BCL
的释放发现，
PLGA/BCL-S
支架可以实现
BCL 5
天内的持续释放（图
4c
）。进一步的，研究者将小鼠成纤维细胞（
L929
）种植于支架的上表面，通过检测穿越到支架下表面的细胞数量评价支架上表面的屏障功能。结果显示，
PLGA/BCL-S
的上表面具有良好的细胞屏障功能，几乎没有细胞可以穿越到支架的下表面（图
4d
，
e
）。而其下表面由于具有大孔结构，可以负载较多的
BCL
，从而增强
BMSC
的黏附与增殖（图
4f
，
g
）。
在骨修复中，组织工程支架需要提供良好的微环境来诱导骨组织细胞分化以及血管生成，从而促进骨损伤的修复。因此，研究者进一步对支架的成血管以及成骨特性进行了检测。结果显示，
PLGA/BCL-S
支架可以促进人脐静脉内皮细胞（
HUVEC
）中与血管生成相关的基因（
VEGF
、
Ang-1
）与蛋白（
VEGF
）的表达，增强
HUVEC
的成管行为，具有较好的成血管作用（图
5
）。在成骨作用方面，
ALP
染色、免疫荧光染色以及茜素红染色发现
PLGA/BCL-S
支架可以上调
BMSC
中
ALP
的表达水平。增加
BMSC
中与骨形成相关的
COL I
以及
OCN
的蛋白表达，最终增强
BMSC
的矿化，说明
PLGA/BCL-S
支架同样具有促成骨的作用（图
6
）。
在明确了
PLGA/BCL-S
支架的体外效果后，研究者通过构建大鼠颅骨缺损模型进一步检测了
PLGA/BCL-S
支架的体内骨缺损修复效果（图
7a
）。
CT
以及组织学染色显示，相比于对照组，
PLGA/BCL-S
可以有效促进骨缺损修复。免疫组化结果也显示，
PLGA/BCL-S
支架植入后，损伤部位与骨形成相关的
OCN
以及与成血管相关的
VEGF
表达显著升高。上述结果表明，
PLGA/BCL-S
可以有效促进骨缺损部位的骨与血管形成，从而有效促进骨缺损修复。
综上所述，研究者利用
PLGA
和
BCL
通过结合个性化负模技术和相分离策略，创建了具有多孔结构的
PLGA/BCL-S
支架，不仅可以有效建立骨膜样的屏障，防止纤维组织细胞的侵入，还可以通过缓释
BCL
促进缺损部位骨与血管的形成，从而为骨修复材料以及其他组织修复材料的设计提供了一种新方法。
该研究由来自中山大学的吴淑仪主任、吴丁财教授以及李彦主任团队完成，并于
2024
年
7
月
17
日在线发表于
Advanced Science
。
文献信息：
Mengqi Zhang, Zhike Huang, Xun Wang, Xinyu Liu, Wenyi He, Yan Li, *
Dingcai Wu, * and Shuyi Wu*. Personalized PLGA/BCL Scaffold with Hierarchical
Porous Structure Resembling Periosteum-Bone Complex Enables Efficient Repair of
Bone Defect. Advanced Science 2024, doi.org/10.1002/advs.202401589.
供稿：于启帆
审校：李家颖
编辑：胡杰
