阅读说明：本技术 生物材料及其制备方法和在骨修复中的应用 (biological material, preparation method thereof and application thereof in bone repair ) 是由 郑志伟 王贤松 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：一种生物材料,以金属有机骨架为核心,外层包覆介孔二氧化硅层,在所述的介孔二氧化硅层外包覆磷酸钙层,所述的金属有机骨架上载有白细胞介素。本发明提供的生物材料,具有生物相容性,对细胞低毒性,安全性高,受pH调控,对pH变化敏感,以其作为载体携带生化信号,与其它材料(如：胶原)制成支架实现骨组织修复。(A biological material takes a metal organic framework as a core, a mesoporous silica layer is coated on the outer layer, a calcium phosphate layer is coated on the outer layer of the mesoporous silica layer, and interleukin is loaded on the metal organic framework. The biomaterial provided by the invention has biocompatibility, low toxicity to cells, high safety, and sensitivity to pH change under the regulation and control of pH, is used as a carrier to carry biochemical signals, and is prepared into a scaffold with other materials (such as collagen) to realize bone tissue repair.)

生物材料及其制备方法和在骨修复中的应用

技术领域

本发明涉及一种生物可降解复合材料，尤其涉及一种由多种材料复合而成的颗粒，及其制备方法和在骨修复中的应用。

背景技术

大型骨缺损的治疗是一个世界性的重大临床难题，通常需要使用骨生物材料进行外科修复。过去，骨组织工程策略侧重于模仿骨组织的结构和功能特性以促进骨修复。然而，最近研究者提出，这些研究绝大部分只在实验室中有限，临床差异大，难以实现临床推广。学者探究原因，发现可能主要是由于构建策略不够合理，在体外难以精确模拟体内复杂的微环境。随着骨生理的进一步发展，尤其是炎症在骨修复再生中作用的重要发现，学者认为对炎症调节的忽视是生物材料难以实现临床转化的重要瓶颈。以往对支架材料的要求仅仅是不引起炎症反应，具有生物相容性即可。这观点在当代组织工程中显然是不足够的，如何通过材料来调控炎症，主动构建适宜组织再生的微环境是目前生物材料构建的一个重要议题。理想的骨移植材料不仅应当具有较好的成骨及成血管特性，更重要的是具备一种精确、主动的炎症微环境调节能力。

金属有机骨架(Metal Organic Frameworks，MOF)，也称配位聚合物，是一类以无机金属(金属离子或金属簇)为核与桥连的有机配体通过自组装相互连接，形成的具有周期性网络结构的晶态多孔材料。该材料即不同于无机多孔材料，也不同于一般的有机配合物，既具有无机材料的刚性，也具有有机材料柔韧性的特征。

中国发明专利201310351980.5公开了一种多孔金属有机骨架材料，用于气体储存、气体分离，作为催化剂、传感器或离子导体，用于光或磁应用，作为多孔材料特别适用于天然气、空气、惰性气体的吸附分离与存储。其将含有金属离子的金属化合物(如：Cu²⁺、Al^{3 +}、Mg²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Co²⁺和Zn²⁺等)、与金属离子配位的有机配体(如：富马酸、1，2，3-苯三甲酸、1，2，4-苯三甲酸、1，3，5-苯三甲酸、咪唑和2-甲基咪唑等)、缓释碱(如：尿素和六亚甲基四胺等)作为去质子碱，在溶剂中充分混合，在40℃～180℃和饱和蒸气压下，通过配位络合作用而自组装形成具有超分子网络结构化合物，然后经过过滤、洗涤、干燥、活化后形成多孔金属有机骨架材料。

中国发明专利201510077924.6公开了一种制备沸石咪唑酯骨架结构材料的方法，将金属锌离子、2-甲基咪唑、氢氧化钠在常温常压下连续搅拌反应1小时，所得的混合物经过离心分离，洗涤，干燥，即得。制得的沸石咪唑酯骨架结构材料应用于气体的分离储存、药物缓释、膜传感器以及异相催化等方面，但并未予以证明。

中国发明专利申请201810284394.6公开了一种蜂巢状金属有机骨架纳米片，由金属离子Cu²⁺与有机配体1，4-对苯二甲酸通过配位键自组装形成所述蜂巢状的金属有机骨架纳米片。其具有比表面积高、表面活性位点多、机械稳定性高等优点，在化学催化、药物缓释、氢能的储备以及生物医学等领域具有广阔的应用前景，但并未予以证明。

中国发明专利申请201811572574.0公开了一种环糊精-金属有机骨架材料复合微球，系以β-环糊精为有机配体、钾离子为无机金属中心形成的有机骨架材料，解决了CD-MOFs作为递药载体遇水崩解的问题，适用的药物如：酮洛芬、吲哚美辛、萘普生、白消安、兰索拉唑、布洛芬、芬布芬、***、甲硝唑、硝苯地平、***龙、双氯芬酸钠、对乙酰氨基酚、甲苯磺丁脲、美洛昔康、克伦特罗、氟康唑、卡托普利、水杨酸、土槿皮乙酸、吲达帕胺、普罗西康、咖啡因、阿霉素、顺铂前药、拓扑替康、5-氟尿嘧啶、单/三磷酸-叠氮胸苷、西多福韦、尼美舒利和盐酸普鲁卡因胺等。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种生物材料，以金属有机骨架为核心，外层包覆介孔二氧化硅，以其作为载体携带生化信号，实现组织修复。

本发明的另一个目的在于提供一种生物材料，在介孔二氧化硅施以含钙离子的材料，赋予载体以pH依赖的特性，以其作为载体携带生化信号，实现靶向组织修复。

本发明的再一个目的在于提供一种生物材料以其为活性成分制成组合物(如：药物)或医疗支架在促进创伤修复，尤其是血管再生中的应用。

本发明的又一个目的在于提供一种支架，含有金属有机骨架为核心的生物材料，实现骨组织修复。

本发明的第五个目的在于提供一种方法，以制取具有骨修复作用的生物材料。

本发明的第六个目的在于提供一种方法，以制取具有骨修复作用的骨移植材料。

近年来，随着MOF材料的生物应用的开展，研究发现MOF材料具有良好的细胞因子负载及保护功能。因此，本申请主要试图以MOF结构为基础，构建一种生物材料，使其具备精确炎症调节、促血管化、促成骨再生的多功能骨移植材料，以利于实现骨缺损的功能性再生。

一种生物材料，以金属有机骨架为核心，外层包覆介孔二氧化硅层，在介孔二氧化硅层外包覆磷酸钙层，金属有机骨架上载有白细胞介素(IL)。

另一种生物材料，系颗粒状，粒径为100nm±20nm，以镁离子和没食子酸形成的金属有机骨架为核心，外层包覆介孔二氧化硅层，在介孔二氧化硅层外包覆磷酸钙层，金属有机骨架上载有IL-4。

本发明的生物材料具有促进细胞迁移，促进VEGF和PDGF表达，以及促血管生成，并形成功能性血管网络。

本发明的生物材料载于支架上，再将支架置于缺损组织，使得细胞在血管附近或血管周围聚集，并分化为骨基质沉积的成骨细胞。

本发明的生物材料与胶原通过化学交联结合成支架，再将支架置于缺损组织，使得细胞在血管附近或血管周围聚集，并分化为骨基质沉积的成骨细胞。

本发明提供的生物材料，由如下的方法制取：

先将MgCl₂和没食子酸于50mL水中混合，调节pH至8，并在120℃加热24小时后，固液分离制得Mg-MOF；

在超声处理下将IL4加入Mg-MOF溶液中10分钟，并在4℃下搅拌过夜；

接着，将无水乙醇、5mL IL4-Mg-MOF溶液(10mgMg-MOF颗粒于1ml水中)和0.8mL氨水室温搅拌5分钟～10分钟。加入1mL正硅酸乙酯，搅拌反应1小时制得Mg-MOF纳米粒子外覆盖一层致密二氧化硅层的颗粒(dSiO₂-MOF)；

之后，十六烷基三甲基氯化铵4g和0.1g/ml的三乙胺400μl于40mL水中并在室温下搅拌1小时～1.5小时，然后加入dSiO₂-MOF，在80℃±0.2℃继续搅拌1.5小时，再以60μL/min加入300μL正硅酸乙酯(TEOS)后，再于80℃±0.2℃反应1小时后将至室温，再置于50℃±0.2℃水浴，加入Na₂CO₃刻蚀30分钟±1分钟，得到介孔二氧化硅纳米粒子包覆的Mg-MOF颗粒(MSN-MOF)。

最后用无水乙醇清洗3次(清洗后10,000g离心20分钟，再超声分散于无水乙醇中)，加入CaCl₂、MSN-MOF、NaOH和肌酸磷酸盐，在室温下搅拌3天，以在IL4-Mg-MOF表面上生长均匀的薄的磷酸钙(CaP)纳米结构壳层的颗粒([email protected])。

将制得的[email protected]与胶原通过化学交联结合成支架，具体步骤如下：

[email protected]与胶原(COL)通过化学交联结合成支架([email protected]/COL)在体内的血管生成作用。具体而言：将胶原溶液和[email protected]在磁力搅拌下混合，然后超声处理1小时以获得[email protected]在COL溶液中的均匀分散。然后，在搅拌下向混合物中加入碳二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，使COL与[email protected]交联并形成稳定的[email protected]/COL水凝胶，并于-20℃下冷冻过夜，然后在-50℃下冻干。

本发明技术方案实现的有益效果：

本发明提供的生物材料，具有生物相容性，对细胞低毒性，安全性高，以其作为载体携带生化信号，实现组织修复。

本发明提供的颗粒，受pH调控，对pH变化敏感。以其作为载体携带生化信号，实现靶向组织修复。

经验证，本发明提供的生物材料具有促进细胞迁移，促进VEGF和PDGF表达，以及促血管生成，并形成功能性血管网络。

本发明的生物材料还与其它材料(如：胶原)制成支架，再将支架置于缺损组织，能显著提高VEGF和PDGF表达，并形成功能性血管网络。

本发明的生物材料还与其它材料(如：胶原)制成支架，用于临界尺寸颅骨缺损的多功能可生物降解骨替代物，再将支架置于缺损组织，通过构建一个降低炎症、促进成骨、成血管的有利组织修复微环境，促进机体骨形成，实现骨缺损组织的再生。

附图说明

图1a为本发明颗粒作为给药载体或成骨剂具体应用流程示意图；

图1b为本发明制得的[email protected]的TEM电镜图；

图1c为本发明制得[email protected]颗粒的BF-STEM电镜图；

图1d为本发明制得Mg-MOF和[email protected]粉末的XRD谱图；

图1e为本发明制得Mg-MOF和[email protected]在不同pH值(7.4，6.5和5.5)中分散的降解行为，由没食子酸的吸光度决定；

图1f为本发明[email protected]颗粒的孔径分布曲线和N₂吸附/解吸等温线结果图；

图1g为本发明Mg-MOF和[email protected]颗粒于不同用量的BSA混合的载药量结果图；

图2a为暴露于Mg-MOF颗粒或[email protected]颗粒24小时HUVEC迁移的细胞计数结果图；

图2b为第14天支架和周围组织的血管生成因子hif-1α，VEGF和PDGF的mRNA表达的实时qPCR结果图；

图2c为各组CD31的免疫荧光染色结果图；

图3a为[email protected]/Col支架周围的M2巨噬细胞极化的结果图；

图3b为暴露于不同条件培养基的HUVEC的管形成结果图；NC和CM([email protected])[[email protected]极化的Raw264.7条件培养基]组的图片显示在24小时小管形成的结果。通过免疫荧光染色检测CD31水平；

图3c为用NC和CM([email protected])孵育的BMSCs的ALP染色7天结果图；

图3d为第7天BMSCs中成骨标志物ocn，osx和opn的mRNA表达的实时qPCR结果图；

图3e为诱导7天后ALP活性的定量评估结果图；

图3f为蛋白质印迹暴露于[email protected]或Mg-MOF 7天的BMSC的BMP2和TGF-β分泌结果图；

图3g为在孵育的早期阶段(第7天)刺激ALP的活性结果图；

图3h为CN和OPN的体内染色结果图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

实施例1制备[email protected]纳米颗粒

首先，使用溶剂热法合成Mg-MOF(参见：Chem Commun(Camb)2015，51，5848～51)，具体如下：

在磁力搅拌下将1g MgCl₂，3.8g没食子酸(H₄gal)和50mL水混合10分钟。加入10MKOH水溶液将pH调节至8，并将混合物在120℃加热24小时。然后10,000rpm离心15分钟固液分离，得浅灰色固体，并用超纯水洗涤两次，得到Mg-MOF。

然后，制取覆有二氧化硅纳米粒子(ACS Nano 2013，7，9027～39)，具体为：在室温下搅拌35.7mL无水乙醇，Mg-MOF溶液(10mgMg-MOF颗粒于1ml去离子水中)5mL和0.8mL氨水室温搅拌5分钟～10分钟。加入1mL正硅酸乙酯(TEOS)继续搅拌，反应1小时使得Mg-MOF纳米粒子外覆盖一层致密二氧化硅层(dSiO₂-MOF)。

将4g十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)和浓度0.1g/ml的三乙胺(TEA)溶液400μl于40mL水中并在室温下搅拌1小时～1.5小时。然后加入dSiO₂-MOF并再搅拌1.5小时。接着，在80℃±0.2℃(此环节中，温度对制得的产物形态影响较大)下混合。同时，以60μL/min加入300μL TEOS，再于80℃±0.2℃反应1小时后将至室温，再置于50℃±0.2℃水浴(此环节中，温度对制得的产物形态影响较大)，加入1272mg Na₂CO₃刻蚀30分钟±1分钟(此环节中，时间对制得的产物形态影响较大)，得到介孔二氧化硅纳米粒子包覆的Mg-MOF(MSN-MOF)。

最后，以10,000g离心15分钟收集MSN-MOF，并用140mM NaCl的甲醇溶液中清洗三次，每次24小时，再用无水乙醇清洗3次(清洗后10,000g离心20分钟，再超声分散于无水乙醇中)。无水乙醇清洗3次(清洗后10,000g离心20分钟，再超声分散于无水乙醇中)。将0.22gCaCl₂和0.1g MSN-MOF溶解在6mL去离子水中，再将2mL 1M NaOH和0.4g肌酸磷酸盐的混合水溶液滴加到上述溶液中。将所得混合物在室温下搅拌3天，以在Mg-MOF表面上生长均匀的薄的磷酸钙(CaP)纳米结构壳层([email protected])。

利用TEM(JEM-2010，加速电压＝200kV，日本)表征了纳米颗粒的形貌。使用Bruker-AXS微衍射仪(D8 ADVANCE)记录样品的XRD图案，其中Cu-Kα(λ＝1.5406)辐射，扫描速度为0.33min^-1，从10°至80°(2θ)连续扫描并记录衍射数据。。通过Shimadzu UV-2450UV-vis光谱仪测量Mg-MOF和[email protected]的降解，不同pH值的PBS(5.5，6.5和7.4)中孵育一定时间，并通过光谱仪连续测量进行表征。通过表面积和孔隙率分析仪(MicromeriticsInstrument Corp.ASAP2050)测量表面积和孔径。

[email protected]颗粒在透射电子显微镜(TEM)下的图像显示出约100nm的均匀球形形态。随后在MSN-MOF表面上形成的中空结构填充CaP壳(参见图1b)。[email protected]纳米复合材料的复合结构通过基于亮场扫描TEM(BF-STEM)的元素映射进一步证实其含有Mg、Si和Ca等元素(参见图1c)。通过粉末X射线衍射(PXRD)研究评估[email protected]的结晶度，其显示[email protected]的晶体结构整合性与原始Mg-MOF一致(参见图1d)。

Mg-MOF在生理液体中降解导致可生物合成的没食子酸和镁离子的释放。降解速率由没食子酸的释放量决定，在pH7的条件下，没食子酸不稳定。pH值为6.5和5.5时下降更快(图1e)。而采用表面MSN和CAP涂层，[email protected]能使Mg-MOF在中性pH下保持稳定。在pH值降低的条件下稳定性降低。[email protected]的缓慢和pH响应降解行为可以将没食子酸和镁离子的浓度维持在中等水平。

通过Brunauer-Emmett-Teller(BET)测量，[email protected]的表面和平均孔径分别为228.7m²g^-1和8.1nm(图1f)。得到的多孔结构是有效载药的理想选择。

实施例2制备载药的颗粒

血清白蛋白(BSA或HSA)通常被用于生物大分子在给药载体中载药情况和药物释放情况的研究。通过在超声波下将这些纳米颗粒(10mg/mL)与不同浓度的BSA溶液一起孵育30分钟并在4℃下搅拌2小时。在质量比(BSA∶Mg-MOF)为4∶1的混合时，MOF能够负载自身92％的BSA的量，这与[email protected]组相比没有显著差异(图1g)。在这里，我们还发现蛋白质-Mg-MOF结合可以通过电泳分离，即这种蛋白吸附结合是可逆的，不影响蛋白活性

本实施例中，通过抽取未附着的BSA，并使用BCA蛋白质定量试剂盒(购自碧云天生物技术有限公司)测定未结合的BSA的量。两者的差值则确定为结合的BCA量。载有BSA的Mg-MOF纳米颗粒也用于电泳。在通过SDS-PAGE凝胶分离总细胞蛋白质后，使用考马斯蓝染色观察凝胶上的蛋白质条带。为了研究Mg-MOF对生物药物的保护作用，将Mg-MOF与别藻蓝蛋白标记的二抗(2Ab-APC)一起孵育2小时，然后在一系列不利环境(有机溶剂和高温处理，这通常会导致抗体变性或丧失活性)中进行处理。用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)观察2Ab-APC的结合，并使用M3酶标仪读数器发光计来量化荧光强度。荧光定量测量645和660nm的激发和发射波长的荧光强度值。

实施例3制备载药的颗粒

生物活性因子通常需要在严格监管的条件下才能维持活性，并且由于其复杂的三级结构和短的体内生物半衰期，通常需要高剂量，这限制了它们的临床应用。荧光定量检测显示Mg-MOFs对加热和有机溶剂等不利环境表现出增强的抵抗力。

对于装载细胞因子(如：IL4)的[email protected]，在超声处理下将12.5μg IL4加入0.5mLMg-MOF(0.4％w/v于水中)溶液中10分钟，并在4℃下搅拌过夜。然后使用具有适当浓度的IL4与BSA类似的方式制备IL4-Mg-MOF，再于其外覆以CaP，产生[email protected]，其用于进一步的实验。为了表征的IL4蛋白的释放，将[email protected]与不同pH值(5.5，6.5和7.4)的磷酸缓冲盐溶液(PBS)一起温育不同的持续时间。在给定的时间点，使用ELISA试剂盒(购自Peprotech)测量溶液。

在不同pH值的溶液中研究IL4从所得到的IL4-M[email protected]中的药物释放行为表明，在pH6.5和pH5.5的弱酸性溶液中，由于Mg-MOF纳米载体被酸性引发分解为没食子酸和Mg²⁺离子，IL4的释放速度明显快于pH7.4的[email protected]的缓慢释药曲线。

实施例4体外和体内对血管生成作用的评价

在此，评估了[email protected]纳米颗粒固有的血管生成作用。首先评估了[email protected]对人脐静脉内皮细胞(HUVEC)迁移的影响(图2a)。将Mg-MOF和[email protected]加载到下室中，并将HUVEC悬浮在培养基中并接种在上室中，并在24小时内的不同时间点观察到迁移。很明显，在阴性对照组中，在孵育12小时后仅发生少量的细胞迁移，并且在24小时没有观察到迁移的显着增加。在Mg-MOF和[email protected]组中，在孵育的早期时间点发生明显的细胞迁移，并且在孵育24小时后观察到进一步明显的增加。24小时的定量分析显示，与Mg-MOF组相比，[email protected]组的细胞迁移显着更高。

体外毛细血管样管形成测定显示，与阴性对照组相比，暴露于Mg-MOF的HUVEC中管形成明显增加。这种增加在[email protected]组中更为显着，在24小时时形成高度管形结构。免疫组织化学染色结果进一步证实了这一点，其中[email protected]组具有最高的CD31表达。还使用蛋白质印迹评估血管内皮生长因子(VEGF)(血管生成的重要因子)的表达。结果显示，与对照组相比，[email protected]和Mg-MOF可以增强VEGF的表达。

还考察了[email protected]和Mg-MOF与胶原(COL)通过化学交联结合成支架([email protected]/COL和Mg-MOF/COL)在体内的血管生成作用。具体而言：将COL溶液(于水中0.4％w/v)和[email protected](或Mg-MOF)溶液(于水中0.4％w/v)在磁力搅拌下以1∶1的体积比混合15分钟，然后超声处理1小时以获得[email protected](或Mg-MOF)在Col溶液中的均匀分散。然后，在搅拌下向混合物中加入0.1M EDC和0.025M NHS，并将混合物在室温下保持1小时以使Col与[email protected](或Mg-MOF)交联并形成稳定的[email protected]/COL(Mg-MOF/COL)水凝胶，并于-20℃下冷冻过夜，然后在-50℃下冻干。

在颅骨缺损中植入COL支架后，在立体解剖显微镜下随时间检测血管形成。在第3天，即早期时间点，Mg-MOF/COL组的血流灌注略高于胶原对照组，但低于[email protected]/COL组。更重要的是，负载抗炎调节剂IL4的[email protected]/COL组进一步增强了血液灌注。在第7天，虽然血管形成在原始和纳米颗粒复合的COL支架中均有增加，[email protected]/COL组的血液灌注量最高。随着急性炎症的消退，第14天血管网开始重塑并消退。

但是，在术后14天，与体外实验结果一致，纳米药物组较对照组(NC)的VEGF的表达仍然较高，尤其是[email protected]/COL组和[email protected]/COL组中这种情况特别显著。通过检测缺氧诱导因子(HIF-1α)的基因表达，定量研究了[email protected]/COL的促血管生成作用。术后第14天，缺损区的血管内皮生长因子(VEGF)和血小板衍生生长因子(PDGF)(图2b)。结果表明，与NC和Mg-MOF/COL组相比，[email protected]/COL和[email protected]/COL组的生长因子VEGF和PDGF表达显着增加。最重要的是，通过IL4和[email protected]的组合，在[email protected]/COL组中得到有效地增强。14天冷冻切片的免疫组织化学分析显示IL4-MO[email protected]/COL组中存在更多CD31阳性血管，[email protected]/COL组与其他三组之间的血管面积具有显著差异(图2c)。

实施例5对M1/M2巨噬细胞极化的免疫调节特性

细胞培养RAW264.7小鼠巨噬细胞是从中国科学院细胞培养库中获得的，在37℃、5％CO₂中培养。大鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)是从SD大鼠股骨分离培养的。

使用蛋白质印迹和FCAS分析评估体外巨噬细胞极化曲线。对于蛋白质印迹，Raw264.7细胞首先用100ng mL^-1LPS处理24小时，然后用培养基培养[email protected](200μg/ml)，持续5天。在第1天和第3天，提取总细胞蛋白质并通过SDS-PAGE凝胶分离，随后转移到硝酸纤维素膜上。使用β-肌动蛋白作为对照，将膜与针对CD206(Abcam)和iNOS(Abcam)的一抗在4℃下孵育过夜。在与第二抗体温育45分钟后，用化学发光试剂(Thermo，USA)处理膜并在柯达X射线胶片上曝光。对于流式细胞术，在第1，3和5天收集细胞，并在室温下用4％多聚甲醛固定15分钟。用PBS中的0.05％Triton X-100透化5分钟后，用0.5％BSA封闭。然后将细胞与FITC-缀合的CD206或PE-缀合的iNOS抗体(Biolegend)在4℃温育30分钟，并在分析前洗涤3次。将与同种型对照IgG2b一起温育的细胞用作阴性对照。

结果表明，使用LPS(100ng/mL)处理的Raw264.7作为对照，Western印迹分析显示高诱导型一氧化氮合酶(iNOS，M1标记)表达和低CD206(M2标记)表达。正如预期的那样，游离IL4瞬时和快速增强CD206表达，同时在第1天降低iNOS表达。然而，[email protected]可以将M1转化为M2表型，持续保持中等水平，从而在组织中起重要作用。通过蛋白质印迹结果，流式细胞术显示[email protected]在5天后逐渐诱导CD206⁺细胞。相反，与LPS对照相比，[email protected]处理的细胞中iNOS⁺细胞的诱导显着降低。这些结果表明，即pH响应性[email protected]模拟生理M1-M2巨噬细胞极化，这有利于炎症消退和损伤组织修复。

在[email protected]联合COL支架植入术后3，7天和14天确定极化巨噬细胞的表型(参见图3a)，进行CD68(泛巨噬细胞标记物)以及M1标记物iNOS或M2标记物CD206的免疫染色以观察生物材料-宿主界面处巨噬细胞表型变化。在COL植入后第3天M1巨噬细胞(CD68⁺，iNOS⁺)的数量上调，然后在植入后2周随着愈合过程而下降。重要的是，对于[email protected]组观察到的这些降低更快。相反，与COL组相比，[email protected]组的M2巨噬细胞(CD68⁺，CD206⁺)水平显着升高，表明pH响应性[email protected]具有准确和主动的免疫调节特性。炎性细胞因子TNF-α和抗炎细胞因子IL10的免疫组织化学染色进一步证实I[email protected]的掺入可促进炎症消退。在[email protected]/COL组中，第7天TNF-α水平低，第14天IL10水平高。

由于炎症、血管生成和骨生成密切相关，进一步验证了[email protected]诱导M1的M2巨噬细胞复极化对血管生成和骨生成的组织修复微环境的作用。进行HUVEC的体外管形成测定以验证[email protected]巨噬细胞条件培养基对血管发生的刺激作用(参见图3b)。在用[email protected]刺激的巨噬细胞条件培养基(CM([email protected]))，HUVEC组织成具有显着更显著及复杂的网络结构。与阴性对照相比，免疫组织化学染色进一步鉴定了CD31表达的显着增加。此外，ALP染色还显示CM([email protected])组的成骨分化显着增强(参见图3c)。这些结果表明[email protected]具备准确和主动的免疫调节特性更有利于血管化新骨再生。

实施例6诱导BMSCs成骨分化

在Transwell迁移模型中，纳米颗粒在含有DMEM的低室中培养2天。然后将BMSCs悬浮于DMEM中，接种于上腔。24小时后，取出上腔，4％多聚甲醛固定，并用结晶紫染色。在每个孔中随机选择五个视野来计数细胞数。对于成骨分化评估，将BMSCs以5×10³个细胞/cm²的密度接种，并与Mg-MOF或[email protected]一起孵育7天。然后，使用HP Scanjet G3110 PhotoScanner记录细胞的碱性磷酸酶(ALP)染色结果。使用QuantiChromTM碱性磷酸酶测定试剂盒(BioAssay Systems，CA，USA)定量细胞ALP活性，并用BCA蛋白质测定试剂盒(ThermoScientific)评估总蛋白质含量。培养7天后收获总RNA以确定成骨相关基因表达[ocn，osx和opn]。在孵育后第14天，将细胞固定用于茜素红(AR)和DAPI染色，并用抗OPN抗体进行免疫荧光染色。

体内骨缺损再生研究：采用大型颅骨缺损模型，研究方案经伦理委员会批准，并遵循实验动物护理和使用的指南。简而言之，通过腹膜内戊巴比妥注射麻醉大鼠。然后，在头皮中间制作2.0厘米的矢状切口以暴露颅骨。使用骨膜提升器剥离骨膜，用无菌生理盐水彻底冷却条件下并使用环钻在颅骨两侧构建5mm大小的缺损。用盐水彻底冲洗后，支架(5mm直径和高度为1.5毫米)植入骨缺损内。将大鼠随机分为4组：(1)[email protected]/COL、(2)[email protected]/COL、(3)Mg-MOF/Col和(4)NC(COL对照)。

ALP和OCN是成骨分化早期和晚期的标志。采用定量PCR方法检测多个成骨相关基因的表达水平。培养7天后，骨钙素(OCN)、骨钙素(OSX)、骨桥蛋白(OPN)表达明显增强。在BMSCs中，实验组较对照组明显增加(参见图3d)。培养7天后，[email protected]和MG-MOF均能促进ALP的表达(参见图3e和图3f)。ALP含量测定显示，[email protected]的作用强于MG-MOF。免疫荧光法检测14天时OCN的表达，也呈现出类似的趋势。Mg-MOF组OCN的表达明显高于对照组，[email protected]组OCN表达增强更为明显。Western blot分析显示[email protected]和Mg-MOF促进成骨分化的主要调控因子BMP2和TGF-β的表达(参见图3g)。[email protected]的作用强于MG-MOF。总的来说，[email protected]纳米复合材料对BMSCs的增殖和迁移有内在的促进作用，并能促进BMSCs向成骨方向分化。

[email protected]与COL支架后，[email protected]/COL的体内成骨分化。如所预期的，在植入后第14天，[email protected]/COL组中ALP和成骨转录因子RUNX2表达比COL和Mg-MOF组中更丰富。此外，在[email protected]/Col组中IL4加入，ALP和RUNX2的表达更高。在1个月时成骨标志物OCN和OPN(细胞对成骨分化指标)的免疫荧光染色显示出类似的趋势(参见图3h)。这些结果表明，具备炎症调节能力[email protected]/COL支架能够更有效地增强成骨分化并促进骨形成。