糖尿病（DM）可引發一系列不利的病理微環境變化，包括骨代謝調節因子表達失調，脂質過氧化作用和氧化應激，破壞骨代謝的穩定性，導致骨質疏松癥和骨折的發生率增加。因此，DM患者的骨缺損和骨折被認為是修復和再生的重要挑戰。
      近期，上海工程技術大學朱同賀教授團隊、武漢理工大學戴紅蓮教授團隊和武漢大學中南醫院李景峰教授團隊開發了一種用于糖尿病骨缺損修復的新型TZGP（α-TCP/ZnO/GM@P2）復合支架（Fig 1）。α-TCP水泥支架、ZnO納米顆粒和負載P2（一種新型甲狀旁腺激素相關肽） 的明膠微球（GM）實現了互補的優勢。TZGP支架在滿足松質骨的機械強度要求的同時，彌補了無機支架中生物活性肽的不足。它的生物相容性得到增強，并且支架具有抗菌和抗氧化特性。因此，TZGP支架的新穎設計策略為修復糖尿病骨缺損提供了一種很有前途的方法。
 

首先，研究人員對3D打印復合支架的表征進行了檢測。pH測定表明ZnONPs的引入略微增加了TZ和TZG支架的pH值，比T支架的pH值更接近中性和生理環境的pH值（Fig 2H）。同時Zn2+的釋放動力學表明TZ和TZG支架都可以在前3周內穩定釋放 Zn2+（Fig 2I）。TZG 支架釋放的Zn2+濃度略高于TZ支架。但是GM的引入使復合支架機械性能發生了下降（Fig 2K）。ZnONPs和Zn2+還可以穿過受損的膜，破壞內部細胞功能，導致細菌死亡（Fig 2L），這將有利于預防糖尿病骨缺損中的局部細菌感染。
 

之后研究人員成功地將P2摻入GM（GP）中（Fig 3A）。Zeta電位測量表明P2與GM間存在靜電吸引，可以促進P2緩慢釋放（Fig 3B）。同時TZGP支架與GM和T支架相比，表面更粗糙，微孔結構更多，有利于細胞粘附和增殖（Fig 3E）。活/死細胞染色和CCK-8結果證明了所有支架組均具有良好生物相容性，但TZ和TZGP支架更有利于細胞粘附（Fig 3I-M）。綜上，P2摻入GM形成的TZGP支架具有優良的生物相容性和促進細胞增殖的能力，展現出良好的應用前景。
 

接下來，研究人員評估了復合支架對BMSCs的功能調節作用。根據EdU結果，高葡萄糖微環境降低了BMSCs的增殖和遷移能力，但TZ和TZGP支架能恢復其增殖活力，尤其是TZGP組（Fig 4A-D）。TZGP支架中的P2作為高活性PTH相關肽，具有強大的募集BMSCs和促進增殖的能力，使其在高葡萄糖環境中對BMSCs具有卓越的保護能力。在成骨分化方面，TZGP組表現出顯著的ALP活性和鈣沉積面積，優于TZ組，并更顯著地刺激成骨相關基因和蛋白的表達。
 

高血糖微環境導致過量活性氧（ROS）和晚期糖基化終末產物（AGEs）的積累，這經常影響DM患者骨缺損部位的血運重建。因此，研究人員對血管再生也進行了研究。EdU染色（Fig 5A、B）和Transwell測定（Fig 5C、D）顯示High-G組人臍靜脈內皮細胞（HUVEC）的增殖和遷移能力嚴重受損。T 的干預未能改善這種狀態。TZGP組顯著減輕了HUVECs的增殖和遷移抑制。成管實驗表明，High-G組僅形成少量血管狀結構，T和TZ組的HUVECs中形成少量間歇性血管，TZGP組形成豐富的連續血管網絡（Fig 5E、F）。這表明添加P2賦予了復合支架高效的血管形成能力。同時免疫熒光測定表明，TZGP支架顯著促進細胞中血管生成相關因子CD31、HIF-1α和VEGF的表達（Fig 5I-N）。
 

隨后研究人員通過免疫熒光測定評估了高葡萄糖環境中的DNA損傷。結果顯示，DNA損傷標志物γ-H2AX 在High-G組的BMSCs和HUVECs中顯著表達，而分裂和增殖標志物Ki67的表達水平在細胞核中顯著下調（Fig 6A-D、I-L）。JC-1熒光探針測定表明，與High-G組相比，TZ和TZGP組的線粒體膜電位有所提高，尤其是TZGP組，其中BMSC的改善更為顯著（Fig 6E、F、M、N）。此外，使用熒光探針二氫乙錠（DHE）檢測細胞內ROS表達（Fig 6G、H、O、P），TZ組BMSCs的ROS產生顯著降低。
 

在第6周和第12周使用顯微CT和3D重建分析評估骨修復。結果表明DM組的糖尿病骨缺損部位僅在缺損邊緣僅積累了少量骨量。由于缺乏支架支撐，組織遷移到缺損內部的速度很慢，因此很難形成新骨。與DM組顯著不同，TZGP組骨缺損定位產生更多的礦化骨組織，支架表面和間隙覆蓋更多的新生骨。同時，TZGP組的支架降解似乎比T組更明顯，這促進了新生骨組織的逐漸再生（Fig 7A，B）。
 

最后，研究人員通過病理切片染色評價支架的體內生物功能。TZGP組中的支架降解最嚴重，支架周圍和空隙被更多新生組織占據（Fig 8A、B）。Masson染色結果與HE結果一致，在TZGP組中，支架內部和周圍散布著更多的紅色和藍色新骨組織（Fig 8C，D）。此外，RUNX2、Col-I、CD31和HIF-1α的IHC染色反映了成骨和血管生成相關因子的表達（Fig 8E）。
 

綜上所述，本研究成功構建了一種用于糖尿病骨缺損修復的新型TZGP復合支架，這種新型TZGP支架的各個組成部分相輔相成，顯著改善了傳統純α-TCP支架降解緩慢、缺乏生物活性肽、存在酸性降解產物等不利因素，為難治性糖尿病骨缺損的修復提供了一種新的設計。

本研究由來自武漢大學中南醫院的李景峰教授團隊完成，并于2025年1月10日發表于Adv. Funct. Mater。

文獻信息：J. Wang, Y. Xia, Z. Hao, G. Shi, Q. Zhang, C. Wang, M. Zhu, Y. Huang, L. Guo, T. Luan, T. Zhu, H. Dai, J. Li, A Triple-Integrated 3D-Printed Composite Scaffold of High-Activity Peptide-Metal Ion-Bone Cement Facilitates Osteo-Vascular Regenerative Repair of Diabetic Bone Defects. Adv. Funct. Mater. 2025, 2422950.

(責任編輯：admin)

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