骨源性脱细胞基质水凝胶（dECM-MA）可调控微环境促进体外成骨分化及其机制研究

　　本文开发了一种光交联猪骨脱细胞基质（dECM）水凝胶（dECM-MA），其具备可调控的力学性能（杨氏模量0.5–120 kPa），支持原代人成骨细胞（hOBs）的三维培养并显著促进成骨分化与矿化，为骨组织工程和疾病建模提供了新型仿生平台。

　　

引言

骨细胞外基质（ECM）为细胞行为提供高度特化的微环境，通过精确调控力学与生化信号协调骨再生过程。传统骨移植材料如自体或异体骨存在来源有限及免疫排斥等问题，而天然或合成水凝胶难以完全模拟骨ECM的生化复杂性。脱细胞ECM（dECM）材料因保留天然ECM中的蛋白质、生长因子和细胞因子，成为更有潜力的替代方案。然而，dECM水凝胶在力学性能（如刚度、交联密度）的可控性方面存在局限。本研究通过将猪骨小梁脱细胞化并功能化，开发出可光交联的骨源性dECM-MA水凝胶，系统评估其组成、力学特性及对成骨分化的影响。

脱矿与脱细胞化优化

研究采用10% EDTA脱矿结合3.4 M NaCl渗透冲击法处理猪骨小梁，有效去除细胞成分（DNA去除率达94%），同时保留糖胺聚糖（GAG）和关键ECM蛋白（如胶原蛋白I、纤连蛋白）。组织学（H&E、Masson Trichrome、Safranin O染色）与蛋白组学分析表明，脱细胞后仍保留81种基质组蛋白，其中76种与天然组织相同，包括核心基质蛋白（胶原、糖蛋白、蛋白聚糖）及基质相关蛋白（ECM调节因子、分泌因子）。

蛋白组学特征

质谱分析显示，猪与人类骨组织在ECM蛋白组成上高度相似，均富含I型胶原、层粘连蛋白及TGF-β超家族成员等成骨诱导因子，支持猪源ECM在骨组织工程中的转化应用价值。

dECM-MA的合成与功能化

经胃蛋白酶消化 solubilized 的dECM，通过甲基丙烯酰化（MAAh）功能化，获得87%–98%的官能化度（DoF）。光交联dECM-MA水凝胶的刚度可通过聚合物浓度（0.25%–2% w/v）和交联时间（8–120 s）精确调控（0.5–120 kPa）。批次间验证显示DoF与力学性能具有良好一致性。

细胞相容性与成骨分化

将原代人成骨细胞（hOBs）封装于不同刚度（5/10/20 kPa）的dECM-MA及5 kPa GelMA（对照）水凝胶中培养8周。细胞存活率高达89%–95%，且10 kPa组代谢活性显著更高。形态学分析显示，dECM-MA中细胞呈现铺展形态及伸长突触，具有成骨细胞向骨细胞分化的特征。碱性磷酸酶（ALP）活性在10 kPa组第14天最高，钙沉积（Alizarin Red S）及微CT扫描证实该组矿化程度最高，但存在一定组内变异。基因表达（COL1A1、RUNX2、SP7、BGLAP、SPP1、BMP2）及免疫组化（DMP-1、骨钙素、Von Kossa染色）进一步验证成骨分化与基质成熟。

讨论与结论

本研究成功构建了具有广泛力学可调范围及良好生物活性的骨源性dECM-MA水凝胶，在保留关键ECM成分的同时实现刚度精确控制。10 kPa刚度条件下表现出最优的成骨支持能力，其机制可能与水凝胶网孔大小、细胞铺展及基质重塑相关。该平台不仅为骨组织再生提供新材料，也为骨疾病模型构建及药物筛选提供了高度仿生的三维微环境。