摘要
原位组织再生通过生物材料激活人体自身的修复潜能，调动细胞参与组织的修复和再生，是再生医学的前沿方向。在人体内，细胞存在于胞外基质(Extracellularmatrix，ECM)构成的微环境中，并受ECM的理化性质和生化性质的调控。然而，目前的仿生ECM细胞支架难以高度还原ECM的生物活性和基质动态性，因此本论文从仿生ECM的生物活性和基质动态性角度，设计构建了多种新型材料体系，研究了材料性质与细胞行为调控之间的构效关系，进一步探索了新型材料在骨修复和皮肤修复中的潜在应用。主要工作如下: (1)仿生ECM呈递生长因子功能的BMP-2活性化支架涂层材料 仿生ECM呈递生长因子的功能，构建具有生物活性的生物材料对于开发应用于临床的组织修复材料具有重要意义。然而，通过生长因子的点特异性固定以赋予材料生物活性至今仍是一个挑战。我们利用糖基化骨形态发生蛋白-2(GBMP-2)上的糖链与刀豆蛋白(ConA)之间的糖-凝集素相互作用，建立了生物锚定的策略来构建BMP-2活性化支架涂层。这种活性涂层在体外和体内都可以发挥显著的成骨活性，并且可以重复使用，刺激多批细胞成骨分化。总的来说，结果表明，这种无标记和点(即糖链)生物锚定策略是一种简单而通用的方法，有望应用于其他糖基化活性分子的呈递。 (2)仿生ECM免疫调控活性的基于可水解酯键的动态水凝胶细胞支架 ECM的分子、物理和机械特性可以影响免疫细胞的运动、存活和功能。受ECM免疫调节活性的启发，我们设计了一种新型水凝胶细胞支架LZM-SC/SS,其通过溶菌酶(LZM)和聚乙二醇(PEG，包括4-arm-PEG-SC和4-arm-PEG-SS)发生原位的酰胺化反应制得。LZM不仅作为成胶的结构组分，还通过DGR序列支持细胞粘附。可水解的4-arm-PEG-SS和不可水解的4-arm-PEG-SC组分配伍使用，协同平衡水凝胶网络的稳定性和动态性。在体外和体内皮下植入实验中，LZM-SC/SS的逐步水解能力和细胞粘附能力协同促进了巨噬细胞的运动和M2极化。小鼠全皮层损伤修复模型显示LZM-SC/SS水凝胶可以通过刺激巨噬细胞M2极化和血管形成加速伤口愈合。总体结果表明，这款依赖水解酯键的仿生动态ECM水凝胶有效地建立了促再生的免疫微环境，从而加速伤口愈合。 (3)仿生ECM免疫调控活性的基于可逆酰腙键的动态水凝胶细胞支架 天然ECM具有自适应细胞生命活动的动态骨架。由于可降解水凝胶的降解程度和速度不能被精确调控，降解过快或过慢都会阻碍组织再生进程。在前面可水解水凝胶的研究基础上，我们设计了基于动态化学键的酰腙键动态水凝胶细胞支架。水凝胶由醛基化LZM(LZM-CHO)和四臂聚乙二醇酰肼(4-arm-PEG-HZ)发生酰肼反应制得。酰腙键可以自发打开和生成，使水凝胶网络具有可逆的动态性。在细胞水平上，水凝胶能适配细胞的生长、迁移和分化。在体内可以构建促再生免疫微环境，并能加速皮肤创口愈合。此外，由于苯甲醛、丙醛与酰肼形成的酰腙键具有不同的平衡常数，我们通过在LZM上修饰苯甲醛和丙醛制得LZM-B和LZM-A,将它们和4-arm-PEG-HZ反应可以制得具有不同动态的酰腙键水凝胶，以匹配不同细胞和组织的需要。 (4)动态水凝胶协同活性化呈递生长因子用于骨修复 ECM不仅具有动态骨架适配细胞生长，还可以结合和呈递生长因子，激活细胞功能进行修复和再生。仿生天然ECM的动态性和呈递细胞因子的生物活性，我们使用前面的LZM-HZ动态水凝胶作为三维基质，水凝胶中的LZM-CHO和BMP-2之间可以形成希夫碱动态化学键，实现动态水凝胶协同活性化呈递生长因子用于骨修复。水凝胶具有良好的自愈合能力和组织粘附性能。在细胞水平上，BMP-2的引入赋予了材料成骨活性，并促进了细胞在水凝胶表面的粘附。通过动态化学键呈递BMP-2的LZM-HZ水凝胶能促进巨噬细胞的M2极化并进一步激活成骨修复过程。在体内的异位成骨模型中,动态化学键呈递BMP-2的LZM-HZ水凝胶能够促进巨噬细胞M2极化和血管新生，进而促进新骨生成。在小鼠闭合性骨折的修复过程中，动态化学键呈递BMP-2的LZM-HZ水凝胶可以发挥其可注射的优势，并能高效促进骨折愈合。基于这些结果，我们证实LZM-HZ水凝胶可用于活性呈递BMP-2生长因子，营造促骨再生的免疫微环境。同时，该策略也有望用于活性呈递其它类型的细胞因子，并促进相关组织的修复和重建。
NETL