Hybrid GelMA-HAMA水凝胶结合了载有地塞米松的PLGA纳米颗粒，用于实现控释和促进骨组织再生的成骨分化作用

《European Polymer Journal》：Hybrid GelMA-HAMA hydrogels incorporating dexamethasone-loaded PLGA nanoparticles for controlled release and osteogenic differentiation for bone tissue regeneration

　　骨再生 scaffolds的制备与性能研究。通过将地塞米松负载的PLGA纳米颗粒（DEX-PLGA NPs）整合到GelMA-HAMA水凝胶中，构建了具有受控药物释放特性的骨组织工程支架。实验表明，该水凝胶保持了良好的物理化学稳定性，并促进了脂肪源性间充质干细胞（adMSCs）的增殖、分化及骨基质形成，ALP活性检测和钙染色证实了有效成骨效应。

　　骨组织再生是医学领域的一个重要研究方向，尤其在创伤性损伤和骨质疏松症、骨关节炎等疾病治疗中具有广阔的应用前景。目前，骨组织修复主要依赖于自体移植和异体移植，尽管这些方法在临床上较为常见，但仍然存在诸如供体短缺、组织免疫排斥反应以及术后并发症等问题。因此，开发新型的骨组织再生策略成为研究的重点。本文研究了一种新型的混合平台，该平台利用含有地塞米松（DEX）的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）纳米颗粒（NPs）作为药物载体，并将其封装于甲基丙烯酸酐修饰的明胶（GelMA）和甲基丙烯酸酐修饰的透明质酸（HAMA）组成的水凝胶中。通过这种结构设计，研究人员实现了药物的持续释放，从而促进脂肪来源的间充质干细胞（adMSC）在支架中的成骨分化和矿化过程。

### 研究背景与意义

骨组织是一种由羟基磷灰石、I型胶原蛋白、水分和脂质组成的矿化结缔组织，其中包含多种细胞类型，如成骨细胞、骨表面细胞、成骨细胞和破骨细胞。这些细胞在维持骨骼结构、促进运动、保护软组织、储存钙和磷酸盐以及为骨髓提供支持等方面发挥着关键作用。然而，当发生创伤性损伤或某些病理状态时，这些功能可能会受到破坏，导致骨组织无法正常修复，从而影响患者的活动能力、造成严重疼痛，并可能引发畸形和生活质量下降。

为了克服传统治疗方法的局限性，组织工程和再生医学提供了新的解决方案。骨组织工程结合了细胞、支架和生长因子，旨在实现受损骨组织的再生。其中，水凝胶因其能够模拟天然骨组织的结构、提供生物化学、机械和拓扑学信号，成为研究的热点。特别是基于天然多糖和蛋白质的水凝胶，因其良好的生物相容性、可降解性和可调的机械性能，被认为具有广阔的应用前景。此外，刺激响应型水凝胶因其能够对光、温度和pH等外界刺激作出反应，也被广泛研究。

尽管GelMA和HAMA等水凝胶在骨组织工程中展现出良好的生物相容性和可调控性，但它们的成骨诱导性和成骨传导性仍然有限，这限制了其在骨组织再生中的应用。因此，研究者们尝试通过引入纳米颗粒来改善这一问题。PLGA是一种已被美国食品药品监督管理局（FDA）批准的可生物降解共聚物，具有良好的生物相容性，常用于纳米颗粒的制备和药物递送。通过将药物封装在PLGA纳米颗粒中，可以实现药物的持续和可控释放，从而在水凝胶中维持一个适合细胞生长和分化的局部药物浓度。

### 研究方法与材料

在本研究中，研究人员使用了两种不同分子量的PLGA（24–38 kDa和38–54 kDa）制备了含有地塞米松的PLGA纳米颗粒（DEX-PLGA NPs）。这些纳米颗粒通过油包水（o/w）单乳化法合成，随后被封装在GelMA和HAMA组成的混合水凝胶中。通过调整HAMA的浓度（1%和5%），研究人员制备了不同组成的水凝胶，以评估其对细胞行为的影响。

为了确保水凝胶的物理化学性质不受纳米颗粒的影响，研究人员对纳米颗粒和水凝胶进行了详细表征。其中包括动态光散射（DLS）和Zeta电位测定，以评估纳米颗粒的大小和表面电荷；场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）用于观察纳米颗粒的形态和分布；傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于分析水凝胶的化学结构；热重分析（TGA）用于研究水凝胶的热稳定性。此外，还通过压缩测试和流变学实验评估了水凝胶的机械性能，以确保其在体内环境中的结构稳定性。

### 药物释放与生物相容性评估

研究人员通过高性能液相色谱法（HPLC）对DEX的释放行为进行了定量分析，并利用多种数学模型（如Peppas-Korsmeyer、零级、一级、Higuchi和Hixon-Crowell模型）拟合实验数据，以理解药物释放机制。结果表明，DEX-PLGA纳米颗粒在水凝胶中的释放行为呈现两个阶段：一个快速的初始释放阶段和一个较慢的持续释放阶段。在前10小时内，约有43%和31%的药物从PLGA纳米颗粒中释放，而在80小时后，释放量分别达到70%和54%。相比之下，当这些纳米颗粒被封装在水凝胶中时，初始释放的药物量显著减少，这表明水凝胶能够有效控制药物的释放速率，从而避免高剂量药物带来的不良反应。

为了评估水凝胶的生物相容性，研究人员进行了细胞活力实验。通过LIVE/DEAD?细胞活性检测和CCK-8细胞毒性实验，研究发现，无论是否含有DEX-PLGA纳米颗粒，水凝胶均展现出良好的细胞相容性，细胞存活率均高于80%。这表明，该水凝胶不仅能够支持细胞的附着和增殖，而且不会对细胞造成毒性影响。此外，细胞的形态学变化也显示，随着培养时间的延长，细胞逐渐在水凝胶表面扩展，并形成复杂的网络结构，这进一步验证了水凝胶的生物活性。

### 成骨分化与矿化能力评估

为了评估水凝胶对细胞成骨分化的影响，研究人员使用了碱性磷酸酶（ALP）活性检测和茜素红S（Alizarin Red S）染色实验。ALP是成骨分化早期的重要标志物，其活性的增加表明细胞正在向成骨细胞方向分化。研究发现，含有DEX-PLGA纳米颗粒的水凝胶在培养3天后表现出显著更高的ALP活性，这表明地塞米松能够有效促进细胞的成骨分化。此外，ALP活性在培养14天后达到峰值，这与成骨细胞在矿化过程中需要积累磷酸盐离子的特性相符。

茜素红S染色则用于评估细胞的矿化能力。研究发现，当细胞培养28天后，含有DEX-PLGA纳米颗粒的水凝胶表现出显著的钙沉积现象，而空白水凝胶则没有明显的矿化。这表明，DEX的持续释放不仅促进了细胞的成骨分化，还增强了其矿化能力。进一步分析显示，10% GelMA-5% HAMA水凝胶中的DEX-PLGA纳米颗粒表现出更强的矿化效果，这可能与该水凝胶更紧密的结构和更高的机械强度有关。

### 结果与讨论

研究结果表明，将DEX-PLGA纳米颗粒封装在GelMA和HAMA组成的水凝胶中，能够实现药物的持续和可控释放，从而在支架内维持一个适宜的药物浓度，以促进细胞的成骨分化和矿化。同时，这种混合平台在保持水凝胶原有物理化学性质的基础上，进一步提高了其机械性能和结构稳定性，使其更适合于体内应用。

从药物释放的角度来看，DEX-PLGA纳米颗粒在水凝胶中的释放行为受到多种因素的影响，包括纳米颗粒的尺寸、水凝胶的结构以及环境条件。实验结果显示，当DEX-PLGA纳米颗粒被封装在水凝胶中时，其释放速率显著减缓，这有助于减少高剂量药物对细胞的潜在毒性。此外，纳米颗粒的表面性质和水凝胶的结构对药物释放具有重要作用，这为后续优化药物释放行为提供了理论依据。

在生物相容性方面，研究发现，水凝胶不仅能够支持细胞的附着和增殖，还能维持细胞的活力，这为其在体内应用提供了保障。细胞的形态学变化进一步表明，水凝胶能够引导细胞向成骨方向分化，并促进其形成具有结构功能的骨组织。这表明，该水凝胶具有良好的生物活性，能够作为骨组织再生的支架材料。

在成骨分化方面，DEX的持续释放对细胞的成骨分化具有积极影响。ALP活性的增加和茜素红S染色的增强均表明，DEX能够有效促进细胞向成骨细胞分化，并增强其矿化能力。此外，研究还发现，10% GelMA-5% HAMA水凝胶在DEX释放方面表现出更强的生物活性，这可能与其更高的机械强度和更紧密的结构有关。

### 结论

综上所述，本研究开发了一种基于GelMA和HAMA的混合水凝胶平台，通过将DEX封装在PLGA纳米颗粒中，实现了药物的持续和可控释放，从而促进脂肪来源的间充质干细胞在支架中的成骨分化和矿化。该平台不仅保持了水凝胶原有的物理化学特性，还显著提高了其机械性能和结构稳定性，使其在体内具有更好的应用潜力。此外，该混合水凝胶在生物相容性、细胞活力和成骨分化方面均表现出良好的性能，表明其在骨组织再生领域具有广阔的应用前景。

这一研究为未来骨组织工程提供了新的思路，即通过结合可降解纳米颗粒和具有良好生物活性的水凝胶，实现药物的持续释放，从而在局部维持一个适宜的药物浓度，促进细胞的定向分化和组织的再生。这不仅有助于减少药物的全身副作用，还能够提高治疗效果，为临床骨组织修复提供了一种更安全、有效的解决方案。