Nature | 骨再生的新突破：仿生胶原基质如何改变骨修复？

生物探索

2024-11-22 16:35发布于江苏科学领域创作者

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划重点

01Nature研究报道了一种新型仿生胶原基质材料，名为“扭曲胶合板结构”，具有显著的骨再生促进作用。

02该材料模仿天然骨的复杂层次结构和矿物有机复合特性，具有良好的生物相容性和力学性能。

03在小鼠和绵羊骨缺损模型中，Col100胶原基质表现出更优异的再生效果，骨缺损重建率达到87.9±6.1%。

04与此同时，矿化Col-CHA基质在绵羊模型中表现出显著的骨修复优势，新生骨覆盖率达到78±10%。

05未来，这种仿生材料有望成为自体骨移植的有效替代方案，为再生医学中的骨修复提供新的可能性。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

引言

在现代医学中，骨骼损伤与疾病的治疗一直是备受关注的挑战。骨骼不仅是支撑人体的重要结构，还在矿物质代谢、造血等多种生理过程中发挥着关键作用。然而，骨折、骨质疏松以及骨肿瘤等问题在全球范围内日益普遍，如何有效地修复和重建骨组织成为医疗领域的重大难题。目前，自体骨移植仍然是骨缺损治疗的“金标准”，然而由于供体骨有限、手术创伤大以及供体部位并发症等问题，其应用受到了极大限制。因此，开发有效的替代材料以满足日益增长的临床需求迫在眉睫。在这种背景下，仿生骨移植材料的出现为骨组织再生提供了新的希望。通过模仿骨骼天然的复杂层次结构和矿物有机复合特性，这些仿生材料可以更好地融合人体组织，并促进骨的再生和修复。本11月20日Nature的研究报道“Mineralized collagen plywood contributes to bone autograft performance”聚焦于一种创新性的3D胶原纤维素仿生结构——“扭曲胶合板结构”，它不仅在材料的微观结构上高度仿生天然骨，还表现出了显著的骨再生促进作用。通过对小鼠和绵羊骨缺损模型的实验验证，该材料展现出优异的再生效果和生物相容性，未来有望成为自体骨移植的有效替代方案。

目前的骨移植材料设计多集中于模仿骨的矿物特性，尤其是通过使用生物陶瓷来提高材料的机械强度。然而，骨骼的再生不仅依赖矿物成分，还高度依赖于复杂的有机结构。骨骼由胶原蛋白（Collagen）和无定形生物羟基磷灰石（Bioapatite）相互交织而成，形成有机-无机复合结构，使骨骼兼具强度与韧性。因此，理解骨组织的微观结构和物理化学特性对于开发高效的骨移植材料具有重要意义。

该研究旨在探讨具有多层次复杂结构的仿生材料——“扭曲胶合板结构”（Twisted Plywood Structure）对骨再生的促进作用。通过在小鼠和绵羊的骨缺损模型中应用不同类型的仿生胶原基质，评估了这些材料在促进骨组织再生中的效果，从而为新型骨移植材料的开发提供科学支持。

骨组织的结构特征

骨组织具有高度有序的层次化结构，是其实现多种生理功能的基础。骨的主要成分包括I型胶原纤维（Type I Collagen Fibrils）和无定形羟基磷灰石纳米颗粒（Apatite Nanoparticles）。这些成分通过沿着胶原纤维长轴方向有序排列，形成复合结构，赋予骨骼优异的机械强度和韧性。

在该研究中，研究人员采用了胶原纤维的“扭曲胶合板结构”，该结构展现出独特的生物物理特性。它由高度有序的胶原纤维组成，通过3D仿生技术成功在体外复制，为进一步探索这种结构在骨移植中的应用提供了基础。

仿生胶原材料的制备

为了验证仿生材料的功效，研究人员制备了两种不同浓度的胶原基质：Col40（40 mg/mL）和Col100（100 mg/mL）。两种材料分别形成了不同的微观结构：Col100呈现出类似骨骼的“扭曲胶合板”结构，胶原纤维高度有序；而Col40则表现为随机的胶原纤维分布。这些基质随后被植入大鼠的颅骨缺损区域，以评估其对骨再生的作用。

为了确保实验的科学性和可重复性，研究人员严格采用标准化的材料制备流程。材料制备过程中，利用扫描电子显微镜（SEM）对胶原纤维的排列进行详细表征。结果显示，Col100基质中的胶原纤维呈现显著的方向性，这种有序排列对骨组织再生起到关键作用。

骨组织和合成胶原基材料中胶原超纤维结构的特征（Credit: Nature）

人类骨组织的扫描电镜图像：图a和b展示了去钙化人类紧密骨的扫描电子显微镜（SEM）图像，分别为低倍率和高倍率的观察结果，展示了骨骼结构的整体和细节特点。

合成胶原材料的结构：图c展示了合成胶原基材料（Col100）的SEM图像，其特点是3D密集且有序的仿生结构。这种结构被称为“扭曲胶合板”结构，表现出高度有序的排列，比例尺为5微米。该仿生结构的示意图也附在图b下方，帮助理解这种胶原纤维排列方式的复杂性。

非有序胶原纤维网络：图d展示了另一种合成胶原材料（Col40）的SEM图像，其特点是大范围的非有序胶原纤维网络，纤维之间存在较大的（微米级）间隙，比例尺为2微米。这种材料的纤维排列较为随机，与Col100相比缺乏高度的有序性。

在大鼠模型中，研究人员制造了一个直径约8毫米的颅骨缺损，分别将Col40和Col100胶原基质植入缺损区域，而空白对照组保持为空。植入后10周，研究人员使用显微放射照相（Microradiography）和微型计算机断层扫描（µCT）监测新生骨组织的形成情况，并量化缺损愈合的比例。结果显示，Col100组的新生骨结构更为连续，缺损边缘的骨再生更显著，表明Col100能够有效促进骨组织再生。

在绵羊模型中，研究人员采用了类似的方法，但填充了非矿化的Col基质和矿化的Col-CHA（碳酸羟基磷灰石）基质。这一模型中，缺损尺寸更大，接近人类的骨缺损情况，使得实验更具临床意义，为未来的临床应用提供数据支持。

在大鼠颅骨缺损模型中使用胶原基质对骨再生的效果（Credit: Nature）

缺损模型的示意图和材料植入图：图a 展示了大鼠颅骨缺损的示意图，描述了缺损的位置、大小和形状（红色虚线圆圈）。图b 显示了8毫米直径的颅骨缺损骨片的图片，而图c 显示了Col40胶原基质的植入情况。

显微放射照相和µCT扫描：图d 和e 分别展示了空白对照组、Col40 和 Col100 组的显微放射照相和微型计算机断层扫描（µCT）图像。空白组（图d1 和e1）没有骨再生，而 Col40 组（图d2 和e2）和 Col100 组（图d3 和e3）则显示了新骨的形成，尤其是 Col100 组的新骨形成更加均匀且成熟。

组织学染色分析：图f 显示了空白对照组、Col40 和 Col100 组的甲苯胺蓝染色的组织学切片，Col40 组的矿化组织部分被未结合的骨边缘所包围，而 Col100 组的骨形成则更加均匀且骨边缘的结合更为频繁。

高倍放大观察：在高倍放大观察下（图g 和h），Col40 和 Col100 的基质均显示了类似的整合机制。残余的基质被血管细胞渗透，并伴随着原位的矿化过程（黄色星号和黄点标识）。

实验结果显示，Col100基质在促进骨缺损重建方面表现出显著的优势，其骨缺损重建率达到87.9±6.1%，而Col40组为69.2±24.1%。相比之下，对照组的重建率仅为15.2±9.0%。显微结构分析进一步显示，Col100基质内的新生骨组织均匀分布，与宿主骨结合紧密，表明高度有序的仿生结构对骨再生有显著促进作用。

组织学分析显示，Col40基质中存在未矿化的胶原残留，而Col100基质则表现出成熟的矿化骨组织，伴随着活跃的骨生成过程。Col100基质内还观察到广泛的血管生成，这对骨组织的健康再生至关重要。血管的增加不仅为新生骨提供了充足的营养，还通过增强骨组织的代谢活性，促进了骨的成熟和矿化。

通过免疫组化分析，研究人员进一步确认了血管生成在骨再生中的重要性。结果显示，Col100组中的血管内皮细胞标记物（如CD31）表达显著高于Col40组，表明Col100在促进血管生成方面具有优势。这些新生成的血管不仅提高了骨再生的效率，也为进一步的矿化提供了必需的微环境。

在绵羊模型中，矿化的Col-CHA基质表现出显著的骨修复优势，其新生骨覆盖率达到78±10%，而非矿化的Col组为66±7%。µCT扫描显示，Col-CHA组的矿化骨形成更多，尤其在缺损边缘区域，表明矿化基质能提供更适宜的矿物环境，促进骨形成。进一步的力学测试显示，Col-CHA组的新生骨抗压强度和弹性模量均高于未矿化组，这表明矿化基质在力学性能上更接近天然骨。

机制探讨

这种现象可以归因于材料的微观结构特性。Col100和Col-CHA中高浓度的胶原和有序的排列为宿主细胞的迁移和分化提供了理想的微环境。此外，胶原纤维的致密排列可能在局部形成静电环境，有助于体外矿化的发生。在骨再生过程中，首先形成的是胶原性瘢痕组织，随后在成骨细胞的作用下逐渐矿化为成熟的骨组织。Col100和Col-CHA通过其仿生结构，为细胞提供了类似天然骨的微环境，从而加速这一过程。

Col100的致密结构不仅为成骨细胞提供了机械支撑，还通过静电相互作用增强了成骨细胞在其表面的附着和增殖。矿化基质Col-CHA则为骨再生提供了矿物来源，显著增强了矿化过程，促进了成骨细胞的成熟。组织学数据显示，Col-CHA组的成骨标记物，如骨钙素（Osteocalcin），表达水平显著高于未矿化组，进一步表明矿化基质在促进骨成熟和矿化中的作用。

临床应用前景

基于上述实验结果，研究人员进一步比较了临床级胶原（ColCG-CHA）与市售两种商业矿物替代品（Vitoss和Mastergraft）及自体骨的效果。结果表明，ColCG-CHA的骨再生效果接近于自体骨，且优于商业替代品。这为ColCG-CHA作为潜在的临床骨移植材料提供了强有力的支持。

具体来说，ColCG-CHA在缺损区域表现出活跃的骨重塑过程，包括成骨细胞的聚集及骨基质的沉积。组织学数据显示，ColCG-CHA的骨形成面积为30.4±7.6%，接近自体骨的32.8±9.8%，而商业矿物替代品的骨形成面积则分别为23.7%（Mastergraft）和32.0%（Vitoss）。这些数据表明，ColCG-CHA在骨修复中具有良好的生物相容性和矿化促进作用，能够有效促进新生骨的形成并支持其成熟。力学测试结果显示，ColCG-CHA组的新生骨抗压强度接近于自体骨，显著优于其他商业材料，为其在临床中的应用提供了进一步的证据。

该研究证明，骨的层次结构，特别是胶原与矿物成分的相互作用，对骨再生至关重要。通过构建类似于天然骨的“扭曲胶合板”仿生结构，研究人员成功开发了一种显著促进骨再生的胶原基质材料。与传统的矿物基骨移植材料相比，这种仿生材料不仅具有优良的力学性能，还为成骨细胞提供了理想的微环境，显著提高了骨缺损修复的效果。

这种新型仿生材料在未来的骨移植和骨组织工程中具有广阔的应用前景。它为替代自体骨的材料开发提供了新的思路，即不仅关注材料的矿物组成，还注重其微观结构和物理化学特性的仿生设计。这项研究为再生医学中的骨修复提供了新的可能性，也为开发其他仿生组织工程材料提供了有益的启发。

参考文献

Robin, M., Mouloungui, E., Castillo Dali, G. et al. Mineralized collagen plywood contributes to bone autograft performance. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08208-z

责编|探索君

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