骨缺损通常由外伤、肿瘤切除或骨感染引起，严重影响患者生活。目前，临床上治疗是通过手术将自体、异体或人工骨植入缺损部位。然而，上述方法均有一定的局限性。例如，自体骨的来源有限，只适用于小尺寸的骨缺损，且伴有额外的手术并发症。同种异体骨可能会导致排斥反应，而且价格昂贵。而人工骨的生物活性较低，术后恢复时间较长。因此，开发用于骨缺损治疗的植入式骨修复材料势在必行。最近，青岛大学神经再生与康复研究院吴桐教授团队与青岛大学附属医院骨科于腾波副主任团队通过静电纺丝和电喷雾技术将无机生物活性玻璃（BG）和有机聚己内酯（PCL）有效地结合在一起，构建了三维（3D）BG/PCL微纤维球，用于促进骨缺损的修复。该复合纤维微球的3D结构可以模拟天然骨组织的组成和构造，并且负载骨髓间充质干细胞后，能够诱导血管生成，促进骨相关蛋白的表达，从而有效促进骨再生（示意图1）。
首先，研究者制备了负载BG的取向PCL纤维，其中BG在纤维内均匀分布。然后将纤维切成短纤维分散在明胶溶液中，通过静电纺丝技术制备了BP微纤维球，其表面显示出多孔和粗糙的结构，表明其适合细胞粘附生长。BP微纤维球直径范围为1至5 mm，随施加电压的增加而相应减小，并且BG含量几乎不影响纤维直径（图1）。
接着，研究者通过细胞活死染色检测微纤维球的生物相容性。细胞培养3天和7天后的结果显示，所有的材料组别均具有良好的生物相容性（图2）
。
为了进一步评价微纤维球促进骨髓间充质干细胞（BMSC）成骨分化的性能，碱性磷酸酶（ALP）染色结果显示，2% BG组中的BMSCs表现出更显著的成骨分化能力。随后通过RT-qPCR评估成骨相关基因（ALP、OPN和RUNX2）的表达，结果显示2%BP微纤维球表现出最显著的促成骨效果（图3）。
随后，研究者选择2% BP微纤维球修复大鼠股骨缺损。动物实验分为假手术组、对照组、GelMA组、GelMA-B组、GelMA-M组和GelMA-MB组，术后4周和8周取材。Micro-CT结果显示，术后4周，除假手术组和GelMA-MB组外，所有组的股骨外髁部位均发生骨折。此外，除GelMA-MB组外，BV/TV值均未超过25%。术后8周，在对照组、GelMA组和GelMA-B组的外髁部位观察到骨折。这些骨折可能与术后膝关节未固定有关。填充材料可以提供足够的机械支撑，并且BMSC的引入进一步增强了BP微纤维球的机械强度。因此，在GelMA-MB组中未观察到断裂。结果表明，GelMA、BMSC和BP微纤维球具有促进骨缺损修复的潜力。在各种成分中，BP微纤维球在增强缺损部位的机械强度方面表现出最显著的效果，同时为BMSC的成骨分化创造了有利的环境（图4）。
为了进一步评估微纤维球对体内骨形成的影响，研究者通过H&E和Masson三色染色对标本切片进行组织学分析。4周的结果显示，对照组在缺损区域形成单层纤维组织。相比之下，GelMA组显示出更多新生纤维状组织。而GelMA-B组中观察到少量的新生毛细血管，表明具有一定的促进新骨形成能力。然而，GelMA-MB组中的新生毛细血管数量显著增加，这可能归因于BMSC加速了这一过程。术后8周的H&E和Masson三色染色结果显示，对照组、GelMA和GelMA-B组仍存在明显缺损区域。值得注意的是，所有组的缺损区域中均具有一定的新生血管，而GelMA-MB组中的新生血管数量最多，且GelMA-MB组中的新生骨结构与正常骨相比相似性更佳（图5）。
最后，研究者通过免疫组化染色检测了RUNX2、CD31和OCN蛋白的表达，结果发现，GelMA-MB组中RUNX2、CD31和OCN的表达水平最显著，表明微纤维球与BMSC相结合是刺激血管生成和骨形成的有效策略，从而共同促进骨缺损的快速修复。（图6、7）。
综上所述，研究者采用静电纺丝和电喷雾技术，成功开发了一种BP微纤维球。该微球具有良好的生物相容性、具有利于细胞粘附的表面结构和增强成骨细胞基因表达的能力。此外，BP微纤维球在体外表现出强大的血管生成和矿化能力。植入大鼠股骨缺损部位后，负载BMSC的BP微纤维球表现出良好的血管生成和骨修复作用，为临床上治疗骨缺损提供了新途径。
该研究是由青岛大学神经再生与康复研究院吴桐教授团队与青岛大学附属医院骨科于腾波副主任团队合作完成，并于2024年9月18日在线发表于Adv Fiber Mater。
文献信息：
Chen, R.,
Wang, Y., Yu, C. et al. Bioactive Glass-Reinforced Hybrid
Microfibrous Spheres Promote Bone Defect Repair via Stem Cell
Delivery. Adv Fiber Mater 20
24, doi.org/10.1007/s42765-024-00481-x.
供稿：江浩
审校：李家颖
编辑：胡杰
