本研究由Mahdieh Alipour（第一作者，隶属于大不里士医科大学牙科与牙周病研究中心）、Marjan Ghorbani（大不里士医科大学营养研究中心）、Masume Johari Khatoonabad（大不里士医科大学口腔放射科）和Marziyeh Aghazadeh（通讯作者，大不里士医科大学生干细胞研究中心及口腔医学系）共同完成，并以“一种用于颅面区骨再生的含聚醚醚酮的新型可注射水凝胶”为题，于2023年发表在《科学报告》（*Scientific Reports*）期刊上。

该研究隶属于生物医学工程与再生医学领域，具体聚焦于骨组织工程。研究的背景基于当前修复颅面区域不规则或临界尺寸骨缺损的临床挑战。传统的自体/异体骨移植和金属假体存在供区发病率、吸收风险以及难以精确匹配不规则缺损形态等局限。可注射水凝胶因其可原位凝胶化、微创应用、能完美填充不规则缺损并模拟天然骨细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）的特性，被视为一种极具前景的替代方案。聚醚醚酮（Polyetheretherketone， PEEK）作为一种具有优异机械性能（弹性模量与天然骨接近）、生物相容性和放射线可透性的高性能聚合物，已被用作钛金属植入物的替代材料。然而，部分研究表明PEEK的生物活性不足。因此，研究人员设想将PEEK的优势与水凝胶的可注射性和生物相容性相结合。该研究的主要目标是合成并评估一种新型的可注射醛基纤维素纳米晶/丝素蛋白/聚醚醚酮（aldehyde-cellulose nanocrystalline/silk fibroin/PEEK, adCNCs/SF/PEEK）复合水凝胶，并在体外和体内全面评价其促成骨能力，旨在开发一种适用于颅面区，特别是牙种植体周围骨缺损修复的先进生物材料。

研究流程严谨而系统，主要包含以下四个关键阶段：水凝胶的合成与表征、体外细胞实验、体内动物实验以及数据分析。首先，研究人员合成了adCNCs/SF/PEEK水凝胶。具体方法是：从蚕茧中提取丝素蛋白（SF），通过高碘酸钠氧化微晶纤维素制备醛基纤维素纳米晶（adCNCs），并将其与PEEK粉末（平均粒径80微米）结合。采用双筒注射器将SF溶液（~7%）与含PEEK的adCNCs（~0.5% wt）溶液混合注入模具，在30秒内形成原位凝胶。为了全面表征所制备的材料，研究使用了多种技术：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了各组分的化学结构和分子间相互作用，确认了SF中氨基与adCNCs中醛基的成功交联以及PEEK的成功掺入；利用热重分析（TGA）评估了水凝胶的热稳定性，显示添加PEEK提高了材料的残炭量；通过扫描电子显微镜（SEM）观察了水凝胶的多孔微观结构以及PEEK粉末的形貌；采用流变学测试评估了水凝胶的凝胶时间和粘弹性（储能模量G‘和损耗模量G’’），结果表明含PEEK的水凝胶具有更稳定的交联网络和更高的G‘值。此外，还测定了水凝胶的体外降解和溶胀行为，发现PEEK的加入因其疏水性和高结晶度，降低了水凝胶的降解速率和溶胀度。

完成材料表征后，研究进入体外细胞实验阶段，以评估水凝胶的生物相容性和促成骨能力。实验使用了人类牙髓干细胞（Human Dental Pulp Stem Cells, hDPSCs）作为研究对象，这是一种易于获取、具有多向分化潜能的间充质干细胞。在细胞相容性评估中，通过MTT实验测定了hDPSCs在水凝胶上培养1、3、5天后的增殖情况，结果显示水凝胶无细胞毒性，且含PEEK组在培养第3天和第5天显著促进了细胞增殖。SEM图像也证实了hDPSCs在水凝胶多孔结构上的良好黏附。在成骨分化评价方面，研究采用了多重指标：在培养7天后，检测碱性磷酸酶（Alkaline Phosphatase， ALP）活性，发现adCNCs/SF/PEEK组的ALP活性显著高于adCNCs/SF组和对照组；在培养14天后，通过茜素红S（Alizarin Red S， ARS）染色评估钙结节沉积，显示含PEEK水凝胶诱导了更强烈的红色矿化结节形成；同时，通过实时定量聚合酶链式反应（Real-Time PCR）和蛋白质印迹（Western Blot）技术，分别在基因和蛋白水平检测了关键的成骨标志物——Runt相关转录因子2（RUNX2）、骨钙素（Osteocalcin， OCN）和I型胶原α1链（COL1α1）的表达。结果表明，与对照组和adCNCs/SF组相比，hDPSCs在adCNCs/SF/PEEK水凝胶上培养后，这三种标志物的mRNA和蛋白表达水平均显著上调。这些体外实验结果有力地证明了adCNCs/SF/PEEK水凝胶不仅能良好地支持hDPSCs的存活与增殖，还能有效诱导其向成骨细胞方向分化。

基于积极的体外结果，研究进一步开展了体内动物实验，以验证水凝胶在活体环境中的骨再生效能。研究选取了12只成年Wistar大鼠，在其颅骨上制造了直径8毫米的临界尺寸骨缺损。大鼠被随机分为三组：对照组（缺损不进行任何填充）、adCNCs/SF组（缺损填充不含PEEK的水凝胶）以及adCNCs/SF/PEEK组（缺损填充含PEEK的水凝胶）。手术8周后，处死动物并获取颅骨样本进行评价。评价手段包括影像学和组织学分析：采用锥形束计算机断层扫描（Cone-Beam Computed Tomography， CBCT）并结合Mimics软件进行三维重建，定量分析新骨形成的体积；通过苏木精-伊红（Hematoxylin and Eosin， H&E）染色进行组织学观察，定性评估新骨形成的质量、成熟度及炎症反应。CBCT结果显示，adCNCs/SF/PEEK组的新骨生成体积（52.5 ± 7.8 mm³）显著高于adCNCs/SF组（38.15 ± 11.63 mm³）和对照组（28.59 ± 7.5990 mm³）。组织学观察进一步证实了这一结果：对照组缺损边缘清晰，仅见少量骨组织形成；adCNCs/SF组缺损区域可见少量骨小梁和结缔组织，呈中度再生；而adCNCs/SF/PEEK组则表现出更活跃和高级别的新骨形成，缺损区充满了包含初级钙化灶、新生骨岛、成骨细胞以及成熟骨基质的再生组织，且未观察到明显的异物反应或严重炎症。体内实验数据与体外结果高度一致，共同证明了adCNCs/SF/PEEK水凝胶能有效促进临界尺寸颅骨缺损的修复与再生。

该研究的结论是：成功研发了一种新型的、可注射的adCNCs/SF/PEEK复合水凝胶。系统的表征证实了其稳定的多孔结构和适宜的物理化学性质。体外实验表明该水凝胶具有良好的细胞相容性，并能显著增强hDPSCs的成骨分化潜能。体内大鼠颅骨缺损模型进一步验证了其卓越的骨再生能力，与不含PEEK的水凝胶相比，含PEEK的水凝胶诱导了更多、更成熟的新骨形成。因此，这种PEEK负载的可注射水凝胶在修复颅面区域，尤其是牙种植体周围的骨缺损方面，展现出巨大的临床应用潜力。

本研究的亮点和创新之处体现在多个方面。首先，在研究概念与方法学上具有新颖性：这是首次将PEEK以颗粒形式整合到具有原位凝胶化能力的可注射水凝胶中，用于增强骨再生的研究。这种策略巧妙地将PEEK优异的机械性能和生物相容性与可注射水凝胶的临床操作便利性、对不规则缺损的完美适应性结合起来，创造了一种新型的骨修复复合材料。其次，研究设计系统而全面：从材料的合成、物理化学表征，到体外细胞层面的生物相容性、增殖和多重成骨分化指标（ALP、矿化、基因和蛋白表达）评估，再到体内动物模型的影像学与组织学验证，构成了一个完整且逻辑严密的证据链，结论可靠。第三，基础研究与临床需求紧密结合：研究明确针对临床实践中棘手的临界尺寸、不规则形状骨缺损的修复难题，所选用的可注射形式和具有骨诱导性的组分设计，直指临床应用的痛点，转化医学价值明确。第四，对作用机制的初步探讨：研究不仅展示了PEEK的加入能提升成骨效果，还通过SEM观察到PEEK颗粒表面的粗糙度，并结合文献推测这种表面拓扑结构可能有利于细胞黏附和增殖，为理解材料与细胞相互作用的机制提供了线索。最后，选用hDPSCs具有策略意义：作为来源于口腔的间充质干细胞，hDPSCs与目标应用场景（颅面骨再生）高度相关，使得体外实验结果更具预测性和参考价值。

这项研究为骨组织工程领域提供了一种有前景的新型可注射生物材料。它不仅证实了adCNCs/SF/PEEK复合水凝胶有效的骨再生能力，也为未来开发基于高性能聚合物（如PEEK）的复合可注射生物材料提供了重要的实验依据和新的思路。未来的研究可以进一步探索该水凝胶在负重区域（如下颌骨）的修复效果，优化PEEK的含量与粒径，并深入研究其促进成骨的具体分子机制，以推动其向临床应用迈进。