近日，上海大学转化医学研究院苏佳灿团队与复旦大学邓勇辉团队在国际著名学术期刊《Advanced Functional Materials》（最新影响因子：19.924，材料学1区）发表题为“Rational Design of Multifunctional CuS Nanoparticle-PEG Composite Soft Hydrogel-Coated 3D Hard Polycaprolactone Scaffolds for Efficient Bone Regeneration.”的研究文章。上海大学转化医学研究院薛序、张浩、刘晗、王思成为本文的共同第一作者。上海大学转化医学研究院苏佳灿、王秀惠、耿振及复旦大学邓勇辉为本文的共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划（2018YFC2001500）、国家自然科学基金（91749204, 82172098, 21875044, 81771491, 81871099, 81972254, 82001968）、上海市浦江人才计划（20PJ1403800）和上海市启明星项目（21QA1412000）的资助。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202202470
骨组织是一种动态的承重结构，在人体中具有多种不可替代的功能。虽然骨组织具有内源性自愈或再生能力，但由于外伤、感染或与年龄有关的疾病引起的大骨缺损仍然难以修复。3D打印聚己内酯(PCL)支架作为骨组织工程中的植入材料已被广泛研究。另外，有研究表明，近红外光触发的局部热疗可以加速骨再生。考虑到材料结合近红外光的优势，具有良好集成功能和组成的水凝胶支架系统的设计可能有利于骨再生。
鉴于此，上海大学转化医学研究院苏佳灿、王秀惠、耿振研究团队与复旦大学邓勇辉团队基于软硬结合新概念，开发了一种CuS NPs-PEG水凝胶（仿软基质成分）涂覆3D打印PCL支架（仿硬基质成分）的CuS-PEG-PCL水凝胶复合支架体系，可实现有效的骨再生。CuS NPs交联PEG水凝胶，赋予PCL支架优异的光热性能和稳定的软弹性，同时，PCL支架提供优异的机械性能。在1064 nm近红外光照射后，储存在CuS-PEG-PCL支架中的地塞米松磷酸钠(Dexp)实现可控释放，有效促进骨间充质干细胞(BMSCs)的成骨分化。此外，42 ± 0.5°C温和热进一步促进BMSCs的成骨分化。这种载有Dexp的CuS-PEG-PCL支架在大鼠胫骨缺损处进行近红外光照射，表现出很高的骨再生能力。这些发现表明，负载Dexp的CuS-PEG-水凝胶可以有效地修饰3D打印的PCL支架。因此，这种具有软硬混合结构的多功能支架有可能成为治疗大骨缺损的药物输送载体,相关成果发表于Advanced Functional Materials期刊上。
图1 | CuS-PEG-PCL支架的制备及应用示意图
预载药物CuS-PEG-PCL水凝胶支架的合成
预合成的CuS NPs具有多孔壳的中空结构，平均直径约为135 nm，表明纳米粒子具有高载药能力。此外，紫外光谱显示D-CuS NPs在242 nm波长处出现了地塞米松磷酸钠(Dexp)的吸收峰，表明载药成功。
图2|3D打印PCL支架、PEG水凝胶涂层PCL支架和CuS-PEG水凝胶涂层PCL支架的形态和相应的SEM图像
多功能水凝胶支架的性能
基于其高表面积和光热转换效率，水凝胶支架中的CuS NPs不仅具有高载药能力，而且赋予水凝胶支架优异的光热性能。铜离子是一种具有很强抗菌能力的天然抗生素，因此，铜基纳米粒子已被广泛用于抗菌应用。这有助于简化支架的灭菌过程，减少植入后的局部感染。实验结果表明，这种复合水凝胶支架可以有效地预防开放手术植入过程中的细菌感染。因此，作者制备了具有敏感光热特性、光反应可控药物释放行为和优异抗菌活性的多功能D-CuS-PEG-PCL骨组织工程支架。
图3|CuS-PEG-PCL支架的性能
体外成骨的分化效果
作者发现，成骨分化活性随着载药剂量的增加呈增强趋势，高剂量组的成骨能力最好。此外，还检测了典型的成骨基因标志物（RUNX2、OCN、BMP-2和Col-I），以研究D-CuS-PEG-PCL支架对BMSCs成骨分化的影响。D-CuS- PEG-PCL支架中RUNX2、OCN、BMP-2和Col-I的表达增加。此外，NIR治疗组的成骨分化高于未接受NIR治疗的组。总之，D-CuS-PEG-PCL支架（高载药组）结合1064 nm NIR表现出最高的BMSCs成骨分化。因此，随后选择高剂量载药D-CuS-PEG-PCL支架作为修复骨缺损的植入材料。
图4|细胞水平上对D-CuS-PEG-PCL支架的一系列评估
SD大鼠的骨再生效果
实验结果表明，这种多功能D-CuS-PEG-PCL支架在近红外治疗下结合软硬概念设计，为加速骨再生提供了一种仿生类材料。此外，各组的胶原纤维在大鼠第8周后也呈现增加趋势。特别是在NIR + D-CuS-PEG-PCL组中，药物和NIR激光联合治疗后，缺损区新形成的骨显着增强。上述分析表明，这种多功能的D-CuS-PEG-PCL支架，在近红外治疗下结合软硬概念设计，为加速骨再生提供了一种仿生类器官。
图5 | 体内光热疗法评估D-CuS-PEG-PCL支架的骨再生能力
结论：在这项研究中，作者提出了一种用于高效骨再生的多功能CuS-PEG-PCL水凝胶复合支架体系构建新思路。由于CuS NPs的存在，不同组分和多功能的D-CuS-PEG-PCL支架整合具有出色的综合应用性能。首先，CuS NPs高效的光热转换能力带来了稳定可靠的光热性能。具有高比表面积的CuS NPs的中空结构和纳米尺寸导致了高载药能力。此外，由于释放出活性铜离子，它们表现出优异的抗菌活性。PCL组分作为稳定粘附CuS交联PEG水凝胶的刚性骨架，为骨修复应用提供足够的机械强度，而亲水性PEG水凝胶为骨组织提供了极好的亲和力。由于这些综合特性，D-CuS-PEG-PCL支架在1064 nm NIR照射下显示出优异的体外成骨分化和增强的体内骨再生。因此，这种集生物相容性、抗菌性和成骨能力优异的多功能水凝胶支架可有效促进骨再生。
