從臨床和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的角度來看，骨缺損的治療是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。自體或異體骨的局限性刺激了許多不同骨替代物的發(fā)展。骨折的愈合是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，依賴于涉及成骨干細(xì)胞，細(xì)胞因子和基質(zhì)相互作用的協(xié)同，并且該過程通常被細(xì)菌毒素和炎性反應(yīng)破壞。此外，缺陷修復(fù)過程中活性氧（ROS）的水平升高可導(dǎo)致氧化應(yīng)激和細(xì)胞損傷，從而抑制間充質(zhì)細(xì)胞成骨分化，同時(shí)促進(jìn)脂肪形成。因此理想的材料應(yīng)具有促進(jìn)骨缺損愈合的合適性能，例如生物相容性，骨傳導(dǎo)性，骨誘導(dǎo)性，機(jī)械完整性，易用性和可承重性，以及抗菌抗氧化能力。
近日，加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校Min Lee課題組受植物來源的植物化學(xué)物質(zhì)和骨細(xì)胞外基質(zhì)的無機(jī)-有機(jī)類似物的性質(zhì)啟發(fā)，本文報(bào)道了一種納米粘土-有機(jī)水凝膠骨密封劑（NoBS），該密封劑將用于骨骼再生的多個(gè)物理化學(xué)線索整合到單個(gè)系統(tǒng)中。植物化學(xué)修飾的殼聚糖和無機(jī)納米粘土的組裝可作為具有高度生物相容性和骨傳導(dǎo)性的細(xì)胞外基質(zhì)模擬物。裝飾后的植物化學(xué)物質(zhì)具有固有的殺菌和抗氧化活性，并充當(dāng)凝膠化的分子間網(wǎng)絡(luò)前體，具有可注射和自修復(fù)的性能。此外，NoBS發(fā)揮納米粘土介導(dǎo)的骨誘導(dǎo)作用，調(diào)節(jié)Wnt /b -catenin通路，促進(jìn)顱骨缺損的骨再生。該工作以“Inspired by Nature: Facile Design of Nanoclay–OrganicHydrogel Bone Sealant with Multifunctional Properties for Robust BoneRegeneration” 為題發(fā)表在《Adv. Funct. Mater.》上。
納米粘土-有機(jī)水凝膠骨密封劑的設(shè)計(jì)
NoBS水凝膠是通過植物化學(xué)接枝的殼聚糖（PGC）與納米硅酸鹽（NC）的自組裝，通過涉及植物化學(xué)物質(zhì)中鄰苯二酚基團(tuán)的多種共價(jià)和非共價(jià)相互作用而形成的，從而產(chǎn)生具有增強(qiáng)的機(jī)械性能的可延展和自修復(fù)的水凝膠，注入具有復(fù)雜幾何形狀的缺陷中。此外，NoBS具有抗微生物和抗氧化活性，這是由于植物化學(xué)物質(zhì)中的酚羥基豐富部分所致。最后，NCs可以作為有吸引力的交聯(lián)劑，通過調(diào)節(jié)Wnt /β-catenin途徑來增強(qiáng)NoBS的骨誘導(dǎo)性，并作為可控藥物遞送的納米載體。通過加載作為模型藥物的平滑激動(dòng)劑（SAG）評(píng)估藥物的遞送。工程化的納米復(fù)合水凝膠可以用作具有多功能和模塊化組件的集成式骨移植裝置，用于臨床骨修復(fù)。
納米粘土-有機(jī)水凝膠骨密封劑的表征
NC的添加顯著增強(qiáng)了NoBS的機(jī)械性能（兩倍），表明分散的NC顆粒與交聯(lián)的NoBS的聚合物鏈之間有很強(qiáng)的界面相互作用。但是，提高 NC含量更至0.5％或1.0％不會(huì)導(dǎo)致NoBS的機(jī)械強(qiáng)度發(fā)生明顯變化。這可能是因?yàn)榧{米粘土濃度的增加可能引起兒茶酚-納米粘土的配位，同時(shí)降低了聚合物鏈之間交聯(lián)所需的兒茶酚基團(tuán)的利用率。NoBS水凝膠的高剛度可促進(jìn)MSC的成骨分化。
納米粘土-有機(jī)骨密封劑（NoBS）的可模塑和自修復(fù)特性
自愈性和可塑性對(duì)簡便和微創(chuàng)治療意義重大。NoBS是可注射的，并且凝膠通過23號(hào)針頭擠出而沒有堵塞，并且隨著水凝膠彼此接近而在水中重新組裝。NoBS還具有出色的自修復(fù)能力，這歸因于涉及水凝膠的NC-聚合物和聚合物-聚合物網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)非共價(jià)和共價(jià)相互作用。此外，注射后NoBS可以重塑成不同的形狀。
納米粘土-有機(jī)水凝膠骨密封劑的抗菌抗氧化性能
使用金黃色葡萄球菌（革蘭氏陽性）和大腸桿菌（革蘭氏陰性）作為模型微生物評(píng)估了抗菌活性。與無植物化學(xué)的MeGC水凝膠相比，oBS和NoBS的具有優(yōu)秀的抗菌活性，NoBS在臨床生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有降低細(xì)菌感染風(fēng)險(xiǎn)的巨大潛力。由于已知植物化學(xué)物質(zhì)具有抗氧化活性，并傾向于防止生物成分上的氧化應(yīng)激，因此NoBS能夠清除或淬滅自由基，并且在細(xì)胞代謝反應(yīng)期間可能會(huì)產(chǎn)生ROS。因此，NoBS能夠增強(qiáng)成骨細(xì)胞的存活，增殖和分化。
納米粘土-有機(jī)水凝膠骨密封劑的成骨能力
在2D細(xì)胞培養(yǎng)物中確定NoBS的生物相容性。通過ALP和茜素紅染色，發(fā)現(xiàn)NoBS具有促進(jìn)MSCs成骨分化的能力。qRT-PCR結(jié)果顯示PTCH和Gli 1的表達(dá)水平含SAG的oBS和NoBS的顯著高于其他組。總的來說，結(jié)果表明，NoBS與SAG的輸送結(jié)合，分別由小分子活化劑SAG和NC衍生的副產(chǎn)物（鋰，鎂和原硅酸）介導(dǎo)的Hedgehog信號(hào)和Wnt /β-catenin信號(hào)上調(diào)，從而導(dǎo)致富集間充質(zhì)細(xì)胞成骨分化。
納米粘土-有機(jī)水凝膠骨密封劑的3D細(xì)胞封裝和成骨能力
細(xì)胞封裝在基于細(xì)胞的移植療法中起著重要作用，并且可以模仿天然細(xì)胞的微環(huán)境。在合適的支架中封裝細(xì)胞引起了廣泛的關(guān)注，并顯示出諸如易于處理，高度水合的組織樣微環(huán)境，均勻的細(xì)胞分布和空間定位等優(yōu)點(diǎn)?；贜oBS在上述2D測定中出色的生物相容性，研究人員評(píng)估了3D水凝膠構(gòu)建體中的生物相容性。將BMSC封裝到oBS和NoBS中，并在生長培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)。與初始水平（第1天）相比，水凝膠中的細(xì)胞數(shù)量隨時(shí)間增加了多達(dá)3.8倍。在具有不同水平的NC摻入的水凝膠中，細(xì)胞增殖中沒有明顯的差異，表明存在或不存在NC的水凝膠能夠支持細(xì)胞并促進(jìn)細(xì)胞增殖。同樣，通過ALP、茜素紅染色和相應(yīng)成骨基因表達(dá)，發(fā)現(xiàn)生物相容性NoBS具有作為細(xì)胞輸送載體的巨大潛力，并且還增強(qiáng)了骨誘導(dǎo)能力。
納米粘土-有機(jī)水凝膠骨密封劑的體內(nèi)骨再生能力
研究人員使用小鼠臨界缺損模型，NoBS組中觀察到原始缺損區(qū)域中的新生成的骨，并通過SAG顯著增強(qiáng)，而在oBS組中未發(fā)現(xiàn)明顯的再生骨。microCT和定量分析的結(jié)果表明，含SAG的NoBS組的骨化明顯優(yōu)于其他組，組織學(xué)證據(jù)進(jìn)一步支持了放射學(xué)檢查結(jié)果，并通過使用蘇木精和曙紅（H＆E），Masson三色染料和免疫組化染色證實(shí)了骨再生。這表明NoBS與骨誘導(dǎo)化合物SAG結(jié)合可以更快更有效地治愈骨缺損。
總結(jié)
NoBS具有生物相容性和多功能特性，包括可注射性，自我修復(fù)，可模塑性，抗菌和抗氧化活性以及可誘導(dǎo)骨骼再生的骨誘導(dǎo)能力。NoBS具有出色的生物相容性，并具有作為細(xì)胞傳遞載體的潛力。NoBS通過調(diào)節(jié)Wnt /β-catenin通路表現(xiàn)出強(qiáng)大的骨誘導(dǎo)能力，并且將SAG加載到NC中可激活Hedgehog通路，從而增強(qiáng)性能。最后，NoBS促進(jìn)了小鼠顱骨臨界缺損中的骨再生。這種具有自然靈感的具有多種形式的水凝膠骨密封劑的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)更安全，更快的骨再生，并避免了阻礙再生過程的典型障礙，并為骨組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的新治療方法提供了理想的骨替代品。
