西北大学AFM：近红外光照响应型注射用凝胶系统用于骨肉瘤相关骨缺损修复！

骨肉瘤是一种常见的侵袭性恶性骨病，由于手术治疗中难以完全切除肿瘤，常常导致术后肿瘤复发和转移，且由此产生的大规模骨缺损难以自我修复，严重影响患者健康。在本研究中，西北大学范代娣/惠俊峰/郑晓燕成功设计并构建了一种双离子掺杂的有机-无机复合SOH₁(CP)₁注射型水凝胶系统。该系统由接枝肼基的丝蛋白、氧化软骨素硫酸盐、硒和镁共掺杂的羟基磷灰石纳米棒以及聚多巴胺包覆的过氧化钙纳米球组成。由于该系统的温和光热效应与其化疗效果（SeO₃²⁻）相结合，展现出强大的抗肿瘤活性。由于水凝胶的降解行为与骨修复周期相匹配，包括水凝胶骨架降解产物的营养支持促进骨细胞增殖，以及通过无机纳米颗粒降解释放的Ca²⁺、Mg²⁺和PO₄^3-的正向调节促进骨分化，该系统展现出卓越的骨缺损修复效果。重要的是，该系统在18天后实现了100%的肿瘤抑制，同时确保在12周后完成骨修复。因此，SOH₁(CP)₁注射型水凝胶系统，不仅具有高效的抗骨肉瘤效果，还具备强大的骨修复特性，可以作为骨肉瘤相关骨缺损修复的新工具。该研究以题为“An Injectable Hydrogel System with Mild Photothermal Effects Combined with Ion Release for Osteosarcoma-Related Bone Defect Repair”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

方案 1阐述了一种具有温和光热效应和离子释放功能的可注射水凝胶系统（SOH₁(CP)₁）的设计和构建过程，以及其在骨肉瘤相关骨缺损修复中的应用。该系统由丝光蛋白、氧化软骨素硫酸盐、硒和镁共掺杂的羟基磷灰石纳米棒以及聚多巴胺包覆的过氧化钙纳米球组成。在近红外光照射下，系统通过光热转换和SeO₃^2-的释放展现出显著的抗肿瘤活性，并通过释放的Ca²⁺、Mg²⁺和PO₄^3-离子促进骨细胞的增殖和分化，从而有效修复骨缺损。经过18天的治疗，该系统实现了100%的肿瘤抑制，并在12周后完成了骨缺损的完全修复，证明了其作为骨肉瘤相关骨缺损修复新工具的潜力。

方案1. 具有温和光热效应和离子释放活性的可注射水凝胶体系示意图

【Se_x/Mg_y-HAp 纳米棒的表征】

图 1展示了不同摩尔比例的硒（Se）和镁（Mg）共掺杂的羟基磷灰石（Se_x/Mg_y-HAp）纳米棒的透射电子显微镜图像，确认了Se_x/Mg_y-HAp纳米棒在无水乙醇中展现出良好的分散性和均匀的结构。这些纳米棒保持了与Se掺杂量相同的形态，即纳米棒形状，具有长度与直径的比例在50-300×5-15纳米之间。这一结果表明，通过在第一次水热处理过程中形成纳米棒，然后在不改变形态的情况下通过二次水热处理掺入Mg，成功合成了Se_x/Mg_y-HAp，并且样品的形态均为纳米棒。此外，通过能谱分析证实了Se的成功掺杂，并通过X射线衍射和X射线光电子能谱分析进一步确认了Se_15%/Mg_30%-HAp的晶格特性和化学组成。这些结果为后续的生物相容性测试和生物学应用提供了基础。

图1. 具有不同Se/(Se+P)、Mg/(Mg+Ca)分子比Se_x/Mg_y-HAp纳米棒的TEM图像

图 2证实了Se和Mg在Se_15%/Mg_30%-HAp纳米棒中成功掺杂，并且纳米棒保持了羟基磷灰石的晶格结构。通过FT-IR分析确认了纳米棒表面的官能团和化学键，而XPS分析进一步验证了Se和Mg的掺杂以及对HAp元素结合状态的影响。这些综合分析表明，Se_15%/Mg_30%-HAp纳米棒的合成和表面改性成功，为后续的生物学应用和性能评估提供了坚实的基础。

图2.Se_x/Mg_y-HAp 纳米棒的表征

【CaO₂ NSs 和CaO₂-PDA NSs的表征】

图 3通过扫描电子显微镜（SEM）、STEM和透射电子显微镜（TEM）图像，研究人员观察到CaO₂ NSs和CaO₂-PDA NSs呈现均匀的球形结构，具有多孔性质，孔径大小通过BET测试得到。XRD分析证实了两种纳米球的晶体结构与标准CaO₂相符，而PDA的包覆导致CaO₂-PDA NSs的结晶度降低。此外，CaO₂-PDA NSs在不同pH值和近红外（NIR）辐射下的氧气释放实验表明，NIR辐射能够显著提高氧气的释放速率，表明CaO₂-PDA NSs具有响应NIR辐射的氧气释放特性，这对于促进肿瘤微环境中的氧供应和增强光热治疗效果具有重要意义。

图3. CaO₂ NSs 和CaO₂-PDA NSs的表征

【SOH_x(CP)_y可注射水凝胶的表征】

图 4通过¹H NMR分析确认了丝光蛋白（Ser）和软骨素硫酸盐（CS）的化学修饰成功，为水凝胶的形成提供了基础。流变学测试显示，水凝胶在低角频率下呈现液态特性，在高角频率下转变为固态特性，表明其具有剪切稀化性质。凝胶时间的调节通过添加Se_15%/Mg_30%-HAp纳米棒实现，以适应不同的临床需求。SEM图像揭示了水凝胶的多孔网络结构，而溶胀和机械性能测试结果表明，随着Se_15%/Mg_30%-HAp含量的增加，水凝胶的溶胀率和机械强度得到提升。此外，通过模拟体液中的离子释放实验，证实了水凝胶能够持续释放SeO₃^2-离子，显示出其在骨肉瘤治疗和骨缺损修复中的潜在应用价值。

图4. SOH_x(CP)_y可注射水凝胶的表征

【SOH_x(CP)_y可注射水凝胶的温和光热效应】

图 5展示了SOH_x(CP)_y注射水凝胶在近红外（NIR）照射下的温和光热效应，包括不同水凝胶在808 nm NIR照射下的温度变化曲线、不同功率密度对SOH₁(CP)₁水凝胶温度升高的影响、猪皮模型中水凝胶的深层组织加热效率以及水凝胶的光热转换稳定性。实验结果表明，SOH₁(CP)₁注射水凝胶在1 W/cm²的NIR功率密度下展现出适宜的加热速率，其核心温度稳定在41-44 °C，符合温和光热疗法的温度要求。此外，该水凝胶即使在不同厚度的猪皮覆盖下也能有效地进行光热转换，且在多次激光开关循环后仍保持稳定的光热转换效果。这些发现证实了SOH₁(CP)₁注射水凝胶在骨肉瘤治疗中的潜在应用，能够通过温和光热疗法实现对肿瘤的有效治疗，同时减少对周围正常组织的热损伤风险。

图5. SOH_x(CP)_y可注射水凝胶的温和光热效应

【体外抗肿瘤作用及骨缺损修复功效】

图 6展示了SOH_x(CP)_y注射水凝胶对人间充质干细胞（hBMSCs）和骨肉瘤细胞（MG-63）的体外抗肿瘤效果和骨缺损修复效能。通过MTT实验评估了不同水凝胶提取物对hBMSCs和MG-63细胞增殖的影响，结果显示SOH₁(CP)₁水凝胶提取物对hBMSCs的增殖具有显著促进作用，而对MG-63细胞的增殖具有抑制作用。AO/EB染色实验进一步证实了SOH₁(CP)₁水凝胶通过释放SeO₃^2-离子对MG-63细胞具有显著的杀伤效果。此外，通过细胞划痕实验评估了水凝胶对hBMSCs和MG-63细胞迁移能力的影响，发现SOH₁(CP)₁水凝胶能够促进hBMSCs的迁移，同时抑制MG-63细胞的迁移。这些结果表明，SOH₁(CP)₁注射水凝胶不仅能够有效抑制骨肉瘤细胞的增殖和迁移，而且能够促进正常骨细胞的增殖和迁移，显示出其在骨肉瘤治疗和骨缺损修复中的巨大潜力。

图6. 体外抗肿瘤作用及骨缺损修复功效

【SOH_x(CP)_y可注射水凝胶促进hBMSCs成骨分化的研究】

图 7展示了SOH_x(CP)_y注射水凝胶对人间充质干细胞（hBMSCs）在体外促进成骨分化的能力。通过碱性磷酸酶（ALP）染色和定量分析，以及阿利扎林红（AR）染色和定量分析，研究人员评估了水凝胶对hBMSCs早期和晚期成骨分化的影响。结果显示，SOH₁(CP)₁注射水凝胶显著提高了ALP的表达，这是成骨早期的标志，同时在培养21天后，AR染色显示该水凝胶组的钙结节形成最为明显，表明其对晚期成骨分化也有显著促进作用。此外，逆转录定量PCR（RT-qPCR）分析表明，SOH₁(CP)₁水凝胶显著提高了成骨相关基因ALP、骨钙素（OCN）和骨桥蛋白（OPN）的表达水平。这些结果综合表明，SOH₁(CP)₁注射水凝胶通过释放促进成骨的离子和营养物质，有效地促进了hBMSCs的成骨分化，显示出其在骨缺损修复中的良好应用前景。

图7. SOH_x(CP)_y可注射水凝胶促进hBMSCs成骨分化的研究

【SOH_x(CP)_y可注射水凝胶抗肿瘤功效】

图 8展示了SOH_x(CP)_y注射水凝胶在体内抑制肿瘤生长和促进骨缺损修复的效果。通过在裸鼠腋下建立肿瘤模型并施以近红外（NIR）照射，研究人员评估了不同处理组的抗肿瘤效果。结果显示，SOH₁(CP)₁注射水凝胶结合NIR照射显著抑制了肿瘤生长，并且在治疗18天后实现了100%的肿瘤根除率。此外，通过对新西兰白兔股骨缺损模型的研究，发现SOH₁(CP)₁注射水凝胶在促进骨缺损修复方面表现出最佳效果，通过微CT扫描和组织学染色分析，证实了新骨形成和骨缺损修复的显著改善。这些结果表明，SOH₁(CP)₁注射水凝胶系统不仅在体外展现出良好的抗肿瘤和成骨效果，在体内实验中也证明了其高效的抗肿瘤活性和骨缺损修复能力，为骨肉瘤的治疗和骨缺损的修复提供了一种有前景的新策略。

图8. SOH_x(CP)_y可注射水凝胶抗肿瘤功效

【SOH_x(CP)_y可注射水凝胶用于体内骨缺损修复】

图 9展示了SOH_x(CP)_y注射水凝胶在新西兰白兔股骨缺损模型中修复骨缺损的效果。通过微计算机断层扫描和组织学染色，研究人员评估了不同水凝胶处理组的骨修复情况。结果显示，SOH₁(CP)₁注射水凝胶组在12周后显示出最佳的骨缺损修复效果，其新骨形成量和质量的指标（如骨体积分数BV/TV、骨密度BMD、骨小梁数目Tb.N和骨表面积BS）均显著高于其他组。组织学染色进一步证实了SOH₁(CP)₁注射水凝胶促进了骨小梁的形成和矿化过程的完成，表明该水凝胶通过释放多种离子和营养因子有效地促进了骨细胞的增殖、迁移和成骨分化，从而显著加速了骨缺损的修复。

图9. SOH_x(CP)_y可注射水凝胶用于体内骨缺损修复

【小结】

该论文成功开发了一种新型的注射水凝胶系统（SOH₁(CP)₁），该系统结合了温和光热疗法和离子释放功能，用于骨肉瘤相关的骨缺损修复。研究结果表明，该水凝胶在近红外光照射下能够有效地抑制肿瘤细胞的生长和转移，并通过释放SeO₃^2-离子以及调节肿瘤微环境来增强抗肿瘤效果。同时，水凝胶的降解产物能够促进骨细胞的增殖和成骨分化，显著加速骨缺损的修复过程。在体内实验中，SOH₁(CP)₁注射水凝胶展现了卓越的抗肿瘤效果和骨修复能力，为骨肉瘤的治疗和骨缺损的修复提供了一种新的策略，显示出良好的临床应用前景。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202315217