球盟会(中国)

针对上述问题，来自上海交通大学生物医学工程学院的鲍丙坤教授团队联合同仁医院、上海交通大学医学院附属上海市第一人民医院和香港中文大学的研究人员合作设计并构建了一种高强度、可3D打印的明胶水凝胶支架，用于负载并缓释HIF-1α稳定剂Roxadustat，以实现对骨质疏松骨修复过程中炎症微环境的调控。研究采用甲基丙烯酸化透明质酸（HAMA）与光敏化改性明胶（GelNB）为基体，顺利获得结合传统自由基聚合与团队自研的光触发瞬态/持久自由基耦合（PTPC）反应，实现了快速交联与增强力学性能。该支架利用数字光处理（DLP）3D打印技术制备，兼具高强度、生物可降解性及优良的细胞相容性，可促进细胞黏附、迁移与增殖。药物Roxadustat的负载与持续释放能有效激活HIF-1α信号通路，从而改善局部炎症状态并促进成骨修复。研究结果表明，该复合水凝胶支架在调节炎症微环境与促进骨质疏松骨修复方面具有显著的综合优势。该文章于2025年2月19日以《High-Strength Gelatin Hydrogel Scaffold with Drug Loading Remodels the Inflammatory Microenvironment to Enhance Osteoporotic Bone Repair》为题发表于《Advanced Materials》上（ http://doi.org/10.1002/adma.202501051 ）。

示意图. 水凝胶工程、3D打印、药物负载及其在骨质疏松性骨修复中的应用。(A) 一种高强度明胶水凝胶，设计用于3D打印以制造载药支架。(B) 载药明胶支架顺利获得激活HIF-1α通路重塑炎症微环境，从而修复骨质疏松性骨缺损

（1）高机械性能明胶水凝胶的构建

基于纳米复合材料的结构启发，构建了在明胶基质中分散的高模量HA相以提升水凝胶的力学性能。顺利获得PTPC反应实现GelNB与HAMA的快速交联，形成分散硬相与柔性基质的界面增强结构（图1A、1B）。随HAMA含量从1.2%增至4.8%，杨氏模量由0.57 MPa升至1.45 MPa，而拉伸应变由438%降至128%；当HAMA为3.6%时，抗拉强度与韧性分别达10 MPa和5.2 MJ·m⁻³，为最佳性能（图1C、1D）。GelNB凝胶在5 mm²截面积下可承受5 kg载荷（图1E），其强度与韧性均显著优于不同甲基化程度及掺HAMA的GelMA凝胶（图1F、1G）。与已报道的强韧明胶水凝胶相比，该凝胶在强度与韧性间实现协同提升（图1H），经盐析处理后强度可进一步提高至15.58 MPa。循环拉伸测试显示其弹性恢复率超过80%（图1I、1J），压缩断裂强度达33.8 MPa（图1K）。在不同含水量条件下仍保持较高拉伸（1.9 MPa）与压缩强度（11.2 MPa）（图1L），综合表明GelNB凝胶兼具高强度、高弹性与低模量特性，适用于骨质疏松骨修复支架的构建。

图1. GelNB水凝胶的微观结构与力学性能表征。（A） 顺利获得AFM纳米力学映射取得GelNB凝胶的杨氏模量分布；（B） STEM图像显示GelNB凝胶的微观结构，明场与HAADF图在同一区域同时采集；（C） 不同HAMA含量GelNB凝胶的应力–应变曲线；（D） 根据（C）测定最大应力与韧性（n=3，mean±SD）；（E） 截面积5 mm²的GelNB凝胶承受5 kg载荷的实物图；（F、G） GelNB与不同甲基化程度或含HAMA的GelMA凝胶的应力与韧性比较（n=3，mean±SD）；（H） GelNB凝胶与多种已报道明胶水凝胶的强度与韧性对比；（I） GelNB凝胶在循环拉伸–释放测试中的应力–应变曲线；（J） 不同循环次数下的最大应力与杨氏模量变化；（K） GelNB凝胶的压缩应力–应变曲线；（L） 不同固含量GelNB凝胶的最大应力与韧性（n=3，mean±SD）

（2）顺利获得3D打印制造明胶水凝胶支架

GelNB凝胶在保持优异力学性能的同时展现出出色的细胞相容性（图2A）。其成胶时间小于4 s（图2B），适用于DLP 3D打印复杂结构。基于该凝胶制备的中空管状支架（管径2 mm，孔径约600 μm）具有良好的成型精度与自支撑性，能在扭转、弯曲和压缩下保持结构稳定（图2C、2D）。在酶溶液（胶原酶I 50 U/mL、透明质酸酶200 U/mL）中，GelNB支架5天内完全降解，较GelMA降解更慢，可延长药物释放与结构支撑时间（图2E）。HUVEC在GelNB支架上呈良好黏附与铺展，而在PCL与PLA支架上黏附有限（图2F）。综合比较，GelNB凝胶兼具高强度、快速成胶、可打印性、良好生物降解性与优异细胞黏附性（图2G），是适用于骨质疏松骨修复的理想支架材料。

图2. GelNB水凝胶支架的制备、降解、生物相容性与细胞黏附性能。（A） L929细胞经GelNB与GelMA凝胶浸提液作用24 h的活性分析（n=4，mean±SD）；（B） 流变学结果显示GelNB凝胶的成胶时间（G′>G″）小于4 s；（C） 采用GelNB凝胶3D打印的中空管状支架及局部放大结构；（D） 支架在扭转与拉伸下的力学稳定性；（E） GelNB与GelMA凝胶在酶溶液（胶原酶I 50 U/mL，透明质酸酶200 U/mL）中的降解曲线（n=3，mean±SD）；（F） HUVEC在GelNB、PCL及PLA支架表面的黏附差异，经活/死染色共聚焦成像取得；（G） 比较GelNB、GelMA、金属及可降解高分子材料在力学性能、可加工性、柔顺性、细胞黏附、降解性与生物相容性方面的综合表现

（3）GelNB凝胶支架装载并逐渐释放药物，促进骨质疏松大鼠的骨修复

将Roxadustat掺入GelNB前驱溶液制备药物负载支架（Gel@Rox），其Roxadustat浓度分别为0、20、40和80 mM，对应Gel、Gel@Rox20、Gel@Rox40和Gel@Rox80组。随药物浓度增加，支架颜色由透明转为乳黄色（图3A）。药物释放曲线显示，Gel@Rox20和Gel@Rox40分别在13 d和17 d内释放约90%药物，而Gel@Rox80维持近1 个月的持续释放（图3B）。SEM显示药物释放后支架形成层次多孔结构（图3C）。在骨质疏松大鼠股骨缺损模型中（图3D），Micro-CT结果表明Gel@Rox支架促进新骨形成，BV/TV和Tb.N随药物浓度升高而增加，其中Gel@Rox80效果最显著（图3E–G）。HE与Masson染色显示，4 周时Gel@Rox80组已基本无纤维骨痂，支架内新骨生成明显；8 周时Gel@Rox40与Gel@Rox80组新骨与支架融合良好，优于对照与Gel组（图3H）。结果表明Gel@Rox支架兼具良好生物相容性与成骨导向性，其中Gel@Rox80表现最佳，适用于后续机制研究。

图3. GelNB凝胶支架的药物负载与释放性能及其骨质疏松骨修复效果。（A） 不同Roxadustat浓度GelNB凝胶的形貌；（B） 含药凝胶在不同浓度下的药物释放曲线（n=3，mean±SD）；（C） 含80 mM Roxadustat的GelNB凝胶在释放前（Day 0）与PBS中释放28 天（Day 28）的SEM图像；（D） 骨质疏松大鼠股骨缺损模型及支架植入示意图；（E） 各组在术后4 周与8 周的Micro-CT三维重建图；（F、G） 对应的骨体积分数（BV/TV）与骨小梁数量（Tb.N）统计分析（n=5，mean±SD，*p<0.05，**p<0.01）；（H） 各组在术后4 周与8 周的HE染色图像，虚线标示缺损区域，Def、FCT、BT、BM及Gel分别代表缺损区、纤维性骨痂、新骨组织、骨髓及水凝胶支架

（4）Gel@Rox支架有效重塑炎症微环境促进骨生成

Gel@Rox支架的显著骨修复效果与其调控炎症微环境的能力密切相关。骨质疏松组在术后1、4、7、10天TNF-α与IL-6水平均显著升高，呈持续炎症状态；Gel支架未明显改善炎症水平，而Gel@Rox80组两者均显著下降（图4A、4B）。Western blot结果显示，Gel@Rox80组CD86（M1标志物）表达下降、Arg-1（M2标志物）升高，与免疫荧光结果一致，M1/M2比例显著降低（图4C），提示Gel@Rox80促进巨噬细胞向抗炎型极化。转录组分析表明，HIF-1α信号通路在骨质疏松大鼠中显著下调，经Gel@Rox80处理后重新激活（图4D、4E）；Western blot进一步证实其在炎症期各时间点均显著上调（图4F）。综上，Gel@Rox80顺利获得激活HIF-1α信号通路，抑制炎症因子表达与免疫细胞浸润，促进微环境重塑及骨修复。

图4. Gel@Rox支架对骨质疏松大鼠骨缺损炎症微环境的调控作用。（A、B） 各组在术后1、4、7、10天骨缺损部位TNF-α与IL-6基因表达水平（n=6，mean±SD，*p<0.05，**p<0.01）；（C） 术后第10天缺损区域CD68、INOS与CD163的免疫荧光染色；（D、E） 第4天骨缺损组织HIF-1α信号通路的基因集富集分析与热图比较，分别为健康组与骨质疏松组、Gel@Rox80组与骨质疏松组对比（n=4）；（F） 各组术后1、4、7、10天骨缺损部位HIF-1α蛋白的Western blot检测结果