Bone microenvironment regulative hydrogels with ROS scavenging and prolonged oxygen-generating for enhancing bone repair  

骨微環境調節水凝膠具有清除活性氧和延長產氧能力以增強骨修復

來源：Bioactive Materials  

 

一、摘要核心內容

 

本研究開發了一種新型智能水凝膠（CPP-L/GelMA），通過整合過氧化氫酶（CAT）和ROS響應性釋氧納米顆粒（PFC@PLGA/PPS），實現以下功能：  

ROS清除與智能供氧：在骨缺損缺氧微環境中，CAT降解過氧化氫（H?O?）生成氧氣，同時ROS觸發納米顆粒持續釋放氧氣（>14天）。  

 

微環境調控：逆轉缺氧誘導的氧化應激，抑制破骨細胞分化，促進血管生成和成骨分化。  

 

骨再生機制：通過激活BMAL1-自噬通路（Nrf2-BMAL1-autophagy pathway）顯著促進骨再生。  

 

二、研究目的

解決缺氧問題：克服骨缺損區域因血供中斷導致的缺氧和ROS累積，抑制骨再生。  

 

開發智能材料：設計可響應ROS水平、持續供氧的水凝膠，避免傳統材料氧氣爆發釋放的弊端。  

 

驗證協同效應：探究氧療與ROS清除對血管生成、成骨分化和骨再生的協同促進作用。  

 

三、研究思路

材料設計：  

 

合成ROS響應性納米顆粒（PFC@PLGA/PPS），負載全氟化碳（PFC）作為氧載體。  

 

將CAT與納米顆粒共封裝于脂質體（CPP-L），再整合至甲基丙烯酰化明膠（GelMA）水凝膠中。  

體外驗證：  

 

表征材料理化性質（SEM、力學測試、降解性）。  

 

檢測氧釋放動力學（Unisense電極）和ROS清除能力。  

 

評估對血管內皮細胞（HUVEC）、成骨細胞（MC3T3-E1）和破骨細胞（RAW264.7）的影響。  

體內驗證：  

 

建立小鼠顱骨缺損模型，植入水凝膠。  

 

監測體內ROS水平（ROS Brite 700探針）、缺氧狀態（Hypoxyprobe）及血管生成（CD31染色）。  

 

通過Micro-CT、組織學（H&E、TRAP染色）和免疫熒光分析骨再生效果。  

 

四、測量數據及研究意義

氧釋放動力學（圖2F-G）  

數據：CPP-L/GelMA在14天內持續釋氧（0.31 μM），顯著高于對照組（PFC@PLGA/PPS僅維持10天）。  

 

意義：證實水凝膠可實現長效供氧，滿足骨修復的長期需求。  

 

來源：圖2F（體外）、圖6F（體內）。  

ROS清除能力（圖4B-C）  

 

數據：CPP-L/GelMA使MC3T3-E1細胞內ROS水平降低50%（vs. 對照組）。  

 

意義：緩解氧化應激，保護成骨細胞免受缺氧損傷。  

 

來源：圖4B-C。  

成骨分化（圖3J, 圖4I-K）  

 

數據：  

 

ALP活性提升138%（CPP-L/GelMA組 vs. 對照組）。  

 

鈣結節形成量增加4倍（Alizarin Red染色）。  

 

意義：持續供氧顯著增強成骨標志物（RUNX2、OCN）表達和礦化能力。  

 

來源：圖3J（體外）、圖4I-K（體外）。  

血管生成（圖7F-I）  

 

數據：CPP-L/GelMA組血管密度為對照組的1.5倍（CD31?染色）。  

 

意義：改善缺氧微環境促進內皮細胞遷移和管狀結構形成。  

 

來源：圖7F-I（體內）。  

骨再生效果（圖7B-D）  

 

 

數據：  

 

骨體積分數（BV/TV）提升3倍（8周）。  

 

骨礦物密度（BMD）增加30%。  

 

意義：智能供氧協同ROS清除加速骨缺損修復。  

 

來源：圖7B-D（Micro-CT）。  

 

五、丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

檢測目標：  

溶解氧濃度：使用Unisense OX-NP氧傳感器實時監測水凝膠釋氧動力學（方法2.2.7）。  

 

關鍵發現與意義：  

精準量化釋氧性能：  

 

CPP-L/GelMA在體外維持穩定氧濃度（0.31 μM）超過14天（圖2F），而傳統PFC@PLGA/PPS僅維持10天。  

 

意義：為材料“長效供氧”特性提供直接證據，克服傳統材料爆發釋放的缺陷。  

體內-體外相關性驗證：  

 

體內實驗（圖6F）顯示植入后14天，水凝膠仍保留60%氧載體活性，與體外數據一致。  

 

意義：證實材料在生理環境中的可靠性，支持其臨床轉化潛力。  

技術優勢：  

 

高時空分辨率：實時動態記錄局部氧分壓變化，避免終點檢測的偏差。  

 

意義：為優化材料設計（如PFC濃度、納米顆粒包封率）提供精準參數。  

 

六、結論

材料創新性：CPP-L/GelMA是首個集成ROS清除與智能供氧的骨修復水凝膠，可動態響應微環境變化。  

 

核心機制：  

 

持續供氧上調BMAL1表達，激活自噬通路（LC3-II/I↑），促進成骨分化。  

 

ROS清除抑制破骨細胞形成（TRAP?細胞↓50%）。  

治療價值：  

 

在小鼠顱骨缺損模型中，新骨體積增加3倍，血管密度提升1.5倍。  

 

為臨床大尺寸骨缺損修復提供新策略。  

 

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標題：Bone microenvironment regulative hydrogels with ROS scavenging and prolonged oxygen-generating for enhancing bone repair  

來源：Bioactive Materials