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西安交大成一龍教授、裴丹丹研究員 AFM：具有重復雙羧基結構和高基質強度的水凝膠用于穩定無定形磷酸鈣并促進骨再生

2025-02-14 來源：高分子科技

無定形磷酸鈣（ACP）作為骨礦化前體，能夠快速介導膠原纖維礦化，促進“自下而上”的骨形成過程，在骨缺損治療領域展現出巨大潛力。然而，ACP會自發快速地轉化為熱力學穩定的結晶相，限制了其在臨床治療中的應用。盡管帶有羧基側鏈的大分子已被用于提高ACP的穩定性，但其穩定ACP效果有限，且水凝膠基質強度普遍較低，難以有效支持骨組織再生。此外，羧基的化學環境對ACP穩定性的具體影響仍不明確。

圖1、基于不同側鏈的仿生水凝膠穩定ACP及其在體內顱骨缺損再生中的應用

近日，西安交通大學成一龍教授和裴丹丹研究員團隊受生物體內非膠原蛋白穩定ACP機制的啟發，通過自由基聚合四種不同分子結構的陰離子單體（丙烯酸（acrylic acid, AA）、丙烯酰甘氨酸（N-acryloyl glycine, ACG）、丙烯酰天冬氨酸（N-acryloyl aspartic acid, AASP）和丙烯酰谷氨酸（N-acryloyl glutamic acid, AGLU））備了一系列高分子水凝膠，以研究水凝膠支架的化學環境對ACP穩定能力及體內骨缺損愈合效率的影響（圖1）。研究人員通過理論模型計算、單體溶液中ACP成核動力學監測、膠原礦化能力分析，探究了單體羧基結構對鈣離子螯合強度的影響。進一步結合XRD、SEM、水凝膠力學性能測試、體外鈣離子釋放實驗，評估ACP在水凝膠網絡中的穩定性。研究表明，具有重復雙羧基結構和高機械強度的聚丙烯酰天冬氨酸（PAASP）水凝膠可通過高鈣離子螯合強度以及氫鍵的形成，有效延緩磷酸鈣（CaP）的結晶過程，從而維持ACP的穩定性。體內實驗表明，PAASP-CaP水凝膠能夠顯著提高礦物沉積率和膠原纖維礦化程度，提高大鼠顱骨臨界骨缺損模型8周后的骨再生效率。以上研究成果為骨缺損治療提供了一種具有前景的水凝膠支架，并為基于ACP的骨再生材料設計提供了重要理論依據。

圖2、AA、ACG、AASP和AGLU單體對ACP穩定作用的比較

圖3、PAA、PACG、PAASP和PAGLU水凝膠對ACP穩定作用的比較

圖4、CaP負載水凝膠的體外成骨活性和體內早期促成骨能力比較

圖5、大鼠顱骨臨界骨缺損的骨再生效果

該工作以"Non-collagenous Protein-inspired Hydrogels with Repeated Dicarboxylic Structure and High Matrix Strength for Amorphous Calcium Phosphate Stabilization to Promote Bone Defect Regeneration"為題發表在期刊《Advanced Functional Materials》上。論文的第一作者為西安交通大學口腔醫學院博士研究生張鈺晨，通訊作者為西安交通大學附屬口腔醫院裴丹丹研究員和西安交通大學化學學院成一龍教授。研究工作得到了國家自然科學基金、陜西省科技廳優秀青年科學基金項目、陜西省重點研發計劃項目、中央高�；究蒲袠I務費等項目的資助，并得到了西安交通大學分析測試共享中心和陜西省顱頜面精準醫學研究重點實驗室的大力支持。

原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202500075

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（責任編輯：xu）

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