四川大学李娟/聂宇教授AFM：无需生长因子的自增强水凝胶实现三维牙周骨再生生物材料
2025-02-15 BioMed科技 BioMed科技 发表于陕西省
该研究为无需外源生长因子的骨再生材料提供了新的思路。
牙周骨缺损由牙周炎、创伤或肿瘤引起，传统治疗方法如自体骨移植存在供体限制和手术复杂等问题。尽管水凝胶因其生物相容性被广泛研究，但其机械性能差、降解快、难以贴合不规则缺损等问题限制了其临床应用。如何开发兼具可注射性、自修复、机械适应性和生物活性的水凝胶，成为骨组织工程领域的核心挑战。
国家生物医学材料工程技术研究中心聂宇研究员和四川大学华西口腔医院李娟教授团队设计了一种新型钙捕获水凝胶（OSA-Alen@HAP/Gel-DA）。该材料由双膦酸盐（BP）功能化的氧化海藻酸钠（OSA-Alen）、纳米羟基磷灰石（HAP）和多巴胺接枝明胶（Gel-DA）组成。该动态网络结构组成的复合水凝胶具备：（1）可注射与自修复性能：HAP与OSA-Alen的动态配位及Schiff碱反应赋予水凝胶剪切稀化特性，可通过26G针头注射并自修复为完整结构。（2）机械自增强性能：水凝胶可捕获并储存钙离子，通过OSA的羧基和双膦酸盐交联提升自身机械强度。（3）均匀骨传导：BP的功能化使得HAP均匀分散于水凝胶中，结合多巴胺的组织粘附性，可防止水凝胶移位并促进内源性细胞浸润。体外实验显示，该水凝胶显著促进骨髓间充质干细胞的成骨分化（RUNX-2和ALP表达上调），并激活钙离子通道Piezo1。大鼠牙周骨缺损模型中，该水凝胶修复组实现了缺损部位三维方向上几乎完整的骨再生效果。
该研究为无需外源生长因子的骨再生材料提供了新的思路。未来可通过优化组分（如整合抗菌成分）扩展至感染性骨缺损修复，或结合3D打印技术定制个性化支架。此外，其动态网络设计理念或启发其他软硬组织工程材料的开发，推动生物医学材料的临床应用。
四川大学华西口腔医院李娟教授和国家生物医学材料工程技术研究中心/四川大学生物医学工程学院聂宇研究员为论文通讯作者，四川大学华西口腔医院张梅博士为第一作者，研究受国家生物医学材料工程技术研究中心/四川大学生物医学工程学院张兴栋院士指导。本项目研究获得了国家自然科学基金和四川大学华西口腔医院探索与研发项目交叉学科创新项目的支持。
图 1. 该钙离子捕获的自增强水凝胶OSA-Alen@HAP/Gel-DA在牙周骨组织再生中的应用。水凝胶注射到牙周缺损后，覆盖整个缺损区域，通过多巴胺的酚羟基粘附在周围的骨组织上，并通过内部多动态网络自愈合恢复结构完整性和机械强度，随后通过Alen-Ca2+配位和-COO-/Ca2+交联实现机械性能的自增强。随着BMSCs的迁入生长，Ca2+通道Piezo1被激活，细胞Ca2+内流增加，BMSCs成骨向分化，最终实现牙周骨组织再生。
图2. OSA-Alen@HAP/Gel-DA复合水凝胶的可注射、自愈合和粘附性表征。
图3. OSA-Alen@HAP/Gel-DA复合水凝胶的内部结构表征。
图4. OSA-Alen@HAP/Gel-DA复合水凝胶的对BMSCs生长粘附和细胞内钙离子浓度及钙离子通道Piezo1的影响。
图5. OSA-Alen@HAP/Gel-DA复合水凝胶的体内促牙周骨组织再生效果。
作者和课题组简介
四川大学聂宇研究员：四川省杰出青年科技人才，四川省学术和技术带头人，专注微纳仿生生物材料设计在基因递送、肿瘤治疗和组织再生方面的研究和开发应用。在Nature Communications, Advanced Materials, ACS Nano, Advanced Science, Advanced Functional Materials，Advanced Drug Delivery Reviews, Biomaterials等期刊发表SCI论文50余篇，H因子31，发明专利21项，参与多部生物材料专著编写；创建“中-德科学家合作研究组”平台。目前担任Pharmaceutical Nanotechnology副主编、Acta Pharmaceutica Sinica B 青年编委、Chinese Chemical letters青年编委、Asian Journal of Pharmaceutical Sciences青年编委，担任国家药品监督管理局医疗器械技术评审专家、中国专利审查技术专家、中国生物材料学会分委会委员、四川省生物医学工程学会理事、四川省药学会专委会委员等。
课题组主页：
https://www.x-mol.com/groups/Nie_Yu
四川大学华西口腔医院李娟教授：华西口腔医院正畸科教授，博士研究生导师；国际牙医师学院院士（ICD Fellow）。主要研究方向为骨及软骨组织工程、口腔生物力学、数字化口腔医学以及口腔正畸美学。主持和参与国家自然科学基金项目8项、省部级项目3项，发表SCI学术论文60余篇, 获得专利10余项。获四川省科学技术成果一等、中华医学奖二等奖。发明智贝云AI正畸智慧诊断系统，通过AI赋能正畸提高正畸诊断和方案决策的效率。
论文信息：
Calcium-Capturing Hydrogel with Self-Reinforced Multi-Dynamic Networks for Effective Periodontal Bone Regeneration in Three-Dimension. Advanced Functional Materials（2025）
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202415185
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