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作者及研究机构

本研究的主要作者包括Minhao Wu、Huifan Liu、Yufan Zhu、Feixiang Chen、Zhe Chen、Liangyu Guo、Ping Wu、Gailing Li、Chong Zhang、Renxiong Wei和Lin Cai。他们分别来自武汉大学中南医院脊柱外科与骨肿瘤科、武汉大学泰康医学院（基础医学院）生物医学工程系、中国医学科学院细胞生长因子与疾病研究临床转化研究单元、华中科技大学同济医学院附属武汉第四医院药学部以及武汉大学人民医院骨科。该研究于2023年发表在期刊《Small》上，DOI为10.1002/smll.202300111。

学术背景

本研究的主要科学领域是骨组织工程（Bone Tissue Engineering, BTE）和再生医学。骨缺损修复是临床治疗中的一大挑战，尤其是对于不规则骨缺损的修复。尽管人工骨修复材料（如聚合物、水凝胶、陶瓷和金属支架）在骨再生领域取得了显著进展，但其在临床应用中存在一些问题，例如急性异物反应（Foreign Body Reaction, FBR）、炎症反应和植入相关感染等。这些问题可能导致骨愈合失败。因此，开发一种能够同时实现可控热刺激、免疫调节、抗感染和骨修复的多功能光热生物材料具有重要意义。

本研究的背景知识包括：巨噬细胞在炎症和组织再生中的关键作用，尤其是M1和M2表型的极化；近红外光（Near-Infrared, NIR）介导的光热疗法（Photothermal Therapy, PTT）在抗菌和骨再生中的应用；以及水凝胶作为骨组织工程材料的潜力。本研究的目的是开发一种基于可注射和光固化水凝胶的治疗平台，通过温和的光热刺激实现免疫调节、骨生成和细菌清除，从而促进高性能骨再生。

研究流程

本研究包括以下几个主要步骤：

1. 水凝胶的制备与表征
   研究人员设计了一种基于甲基丙烯酸化海藻酸（Alginate Methacrylate, Alg-MA）、多巴胺接枝海藻酸（Alginate-graft-Dopamine, Alg-DA）和聚多巴胺（Polydopamine, PDA）功能化Ti3C2 MXene纳米片（MXene@PDA）的可注射和光固化水凝胶（AMAD/MP）。通过紫外光照射3分钟，水凝胶前体溶液固化为水凝胶。研究对水凝胶的机械性能、流变学特性、微观结构、溶胀和降解行为、光热性能等进行了详细表征。

2. 体外生物实验

   • 细胞相容性：研究评估了AMAD/MP水凝胶对MC3T3-E1细胞（小鼠前成骨细胞）的粘附、增殖、迁移和扩展的影响。通过CCK-8实验、流式细胞术、活/死染色和EdU染色等方法，验证了水凝胶的细胞相容性。
   • 骨生成分化：研究通过碱性磷酸酶（Alkaline Phosphatase, ALP）染色、茜素红S（Alizarin Red S, ARS）染色和实时荧光定量PCR（Quantitative Real-Time PCR, qRT-PCR）等方法，评估了水凝胶对MC3T3-E1细胞和骨髓间充质干细胞（Bone Mesenchymal Stem Cells, BMSCs）的骨生成分化的促进作用。
   • ROS清除性能：研究通过DPPH自由基清除实验、H2O2、•O2−和•OH清除实验，验证了水凝胶的抗氧化性能。
   • 巨噬细胞激活：研究通过细胞骨架染色、免疫荧光染色和流式细胞术，评估了水凝胶对RAW 264.7巨噬细胞极化的影响，尤其是M1到M2表型的转变。
   • 抗菌活性：研究通过浊度测试、菌落形成单位（Colony-Forming Unit, CFU）计数和活/死细菌染色，验证了水凝胶对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）的抗菌活性。

3. 体内骨愈合实验
   研究使用大鼠颅骨缺损模型，评估了AMAD/MP水凝胶在体内对骨再生的影响。通过免疫荧光染色、免疫组化染色、显微CT（Micro-CT）和组织学染色等方法，研究了水凝胶对巨噬细胞极化、血管生成、干细胞招募和骨再生的促进作用。

主要结果

1. 水凝胶的表征：AMAD/MP水凝胶表现出良好的机械性能、光热性能和生物相容性。MXene@PDA的引入显著提高了水凝胶的光热转换效率和抗菌性能。
2. 体外生物实验：AMAD/MP水凝胶显著促进了MC3T3-E1细胞和BMSCs的粘附、增殖、迁移和骨生成分化。此外，水凝胶还表现出优异的抗氧化性能和抗菌活性，并能够诱导巨噬细胞从M1向M2表型极化。
3. 体内骨愈合实验：AMAD/MP水凝胶在体内显著促进了颅骨缺损的修复，表现为巨噬细胞极化、血管生成、干细胞招募和骨再生的显著增强。

结论

本研究成功开发了一种基于可注射和光固化水凝胶的多功能治疗平台，通过温和的光热刺激实现了免疫调节、骨生成和细菌清除。该水凝胶在体外和体内均表现出优异的骨再生性能，为不规则骨缺损的修复提供了一种新的治疗策略。

研究亮点

1. 多功能水凝胶平台：AMAD/MP水凝胶集成了光热刺激、免疫调节、抗菌和骨生成功能，为骨组织工程提供了一种多功能的治疗平台。
2. 温和光热刺激：通过近红外光介导的温和光热刺激，水凝胶能够有效调节巨噬细胞极化，促进骨生成和血管生成。
3. 优异的抗菌性能：MXene@PDA的引入显著提高了水凝胶的抗菌活性，有效预防了骨修复过程中的感染风险。

其他有价值的内容

本研究还探讨了水凝胶在体内对巨噬细胞极化、血管生成和干细胞招募的促进作用，为骨再生的分子机制提供了新的见解。此外，研究还验证了水凝胶在体内对颅骨缺损修复的显著效果，为其临床应用提供了实验依据。