摘要：拔牙后，体内多种类型细胞和生长因子的表达和相互作用会受到空间和时间上的暂时调控，以促进牙槽窝的重塑和愈合。然而，由于缺乏功能刺激和血管供血不足，牙槽骨会在生理性或病理性骨重塑过程中被不同程度的吸收。其次，拔牙后软组织细胞会迅速增殖到拔牙槽的缺损区域，从而占据骨

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拔牙后，体内多种类型细胞和生长因子的表达和相互作用会受到空间和时间上的暂时调控，以促进牙槽窝的重塑和愈合。然而，由于缺乏功能刺激和血管供血不足，牙槽骨会在生理性或病理性骨重塑过程中被不同程度的吸收。其次，拔牙后软组织细胞会迅速增殖到拔牙槽的缺损区域，从而占据骨组织形成所需的空间。导致拔牙窝的自然愈合很难实现牙槽骨的完全再生，从而影响后续义齿修复。牙槽嵴保存（ARP）技术是在拔牙后立即使用生物材料填充物以减少牙槽嵴的尺寸变化，有助于保留牙槽骨量，减少后期种植体植入和修复的困难。Bio-Oss Collagen是目前临床常用的异种植骨材料，但仍然缺乏必要的生物活性成分。因此，开发用于牙槽骨再生的多功能生物材料已成为研究热点。

受骨生物结构的启发，天津医科大学邓嘉胤/中国人民解放军总医院张雪松/北京博辉瑞进公司赵博联合设计了一种可变形的SIS/HA（小肠粘膜下层/羟基磷灰石）复合水凝胶同轴支架以维持拔牙窝内的骨体积。相关成果以“A deformable SIS/HA composite hydrogel coaxial scaffold promotes alveolar bone regeneration after tooth extraction”为题发表在《Bioactive Materials》上。

该支架外层为负载GL13K的SIS/HA支架，内层为装载了骨髓间充质干细胞衍生外泌体（BMSCs-Exos）的SIS水凝胶，分别模拟致密骨和骨骼中的软组织。该同轴支架的弹性模量为0.82 MPa，能够自适应填充拔牙窝并维持成骨空间。同时，其内层富集的BMSCs-Exos，能够促进人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和BMSCs向支架内部的增殖和迁移，上调成骨相关基因（BMP2、ALP、RUNX2、OPN）和血管生成相关基因（HIF-1α、VEGF）的表达，促进了支架内的新血管和新骨的形成，解决了缺损中心骨形成率低的问题。此外，GL13K在前三天释放约40.87±4.37%，能够发挥局部抗菌的作用。通过同轴支架的内外双机制，实现了全面高效的拔牙槽内骨修复效果。

1.外泌体的合成与表征

外泌体作为一种特殊的细胞间通讯介质在医学领域受到广泛关注。作者通过超苏离心法从BMSCs上清中分离出了BMSCs-Exos，通过透射电镜、纳米颗粒跟踪分析技术和Western blot进行鉴定。结果显示Exos呈杯状或圆形，具有双层膜结构，囊泡平均直径为106.8 nm，并且外泌体特异性蛋白（Alix, CD63, CD9）阳性表达，而未表达Cytochrom C。以上结果共同表明BMSCs-Exos被成功分离出来。随后，作者将Exos加入SIS/HA水凝胶中制备SIS/HA gel-Exos。激光共聚焦结果表明Exos成功装载到SIS水凝胶中并且能被周围的细胞摄取到细胞质中。

图1 BMSCs-Exos的合成与表征

2.SIS/HA同轴支架的制备与表征

考虑到同轴支架的机械强度与变形性能之间的平衡，作者制备了一种外径1 cm，内径5 mm的中空SIS/HA支架。利用胶原蛋白分子的自组装特性，在pH和温度的影响下，SIS能够自发有序地组装成SIS水凝胶。将SIS预凝胶注入中空的SIS/HA支架内部，成功制备了同轴支架。在SIS/HA支架中，HA颗粒与胶原蛋白紧密结合，胶原蛋白作为粘合剂将所有颗粒结合到支架中，显示出丰富的孔隙结构。此外，支架的力学性能对于骨再生至关重要。作者研究发现这种同轴支架不仅具有良好的机械强度，能够维持骨形成的三维空间，同时还具有一定的变形能力，便于填充拔牙窝内的缺陷，创造有益的仿生骨环境。

图2 同轴支架的制备与表征

3.同轴复合材料支架的生物相容性及细胞行为

作者首先对支架材料的细胞毒性以及促增殖和迁移能力进行检测，CCK-8结果表明所有支架组都表现出令人满意的生物安全性，这对于细胞存活和随后的体内组织修复至关重要。Transwell和划痕实验结果表明GL13K和Exos在促进细胞迁移中发挥了至关重要的作用。

图3 同轴复合材料支架的生物相容性及体外生物学功能

4.体外促血管形成功能评价

在成骨过程中，血管生成与骨再生紧密结合。新血管的形成为骨再生提供所需的氧气、营养和生长因子，能够确保骨缺损的有效愈合和功能恢复。作者通过成管实验初步证实了在G-SIS/HA + gel-Exos组中形成了更多的血管样结构，且管状结构更完整。此外，Western blot、免疫荧光和qPCR结果分别在蛋白水平和基因水平进一步证实了该同轴支架在体外具有良好的促血管功能，并且揭示了GL13K和Exos同时给药在促进血管生成中起着重要的作用。以上结果表明支架内层富含BMSCs-Exos的水凝胶与外层负载GL13K的SIS/HA结合，上调了血管生成相关基因的表达，有效促进支架血管网络的形成，加速骨重塑。

图4 体外促血管形成评价

5.体外促成骨分化功能评价

作者采用碱性磷酸酶（ALP）染色、茜素红（ARS）染色、Western blot、qPCR等方法评价了不同支架的成骨潜能。ALP染色结果显示含HA的支架组具有更高的ALP表达，这是由于HA具有仿生特性，能够激活成核位点，增强骨化相关标记物的表达，从而最终促进骨形成。ARS染色结果显示G-SIS/HA + gel-Exos组沉积了更多的钙结节，这可能归因于GL13K和Exos对骨髓间充质干细胞成骨分化和矿物质沉积的刺激作用。为了进一步阐述不同支架对成骨相关蛋白表达的影响，作者通过Western blot证实了 G-SIS/HA + gel-Exos组成骨相关蛋白（BMP2、ALP、OPN、RUNX2）表达水平最高，RT-qPCR和免疫荧光结果也显示出同样的趋势。

图5 体外成骨分化的研究

6.体外抗菌活性研究

口腔是众多微生物的家园，因此需要预防与支架植入相关的感染。为了研究同轴支架的抗菌活性，作者通过扫描电镜、平板菌落计数、细菌活/死染色和抑制区实验进行评价。结果表明，含GL13K的支架在植入过程中具有明显的抗菌作用。在支架植入初期，G-SIS/HA + gel-Exos同轴支架能够快速、大量释放支架中的GL13K，使支架周围的GL13K在初期达到局部高浓度水平，后期通过缓慢释放，能够长期有效杀死粘附在支架表面及周围的细菌，为后期的骨修复过程提供了有利的微环境。

图6 同轴复合支架的体外抗菌活性研究

7.体内牙槽骨再生评估

作者采用大鼠牙槽骨缺损模型评估了支架在体内的骨诱导潜能。伤口部位菌落计数结果表明G-SIS/HA + gel-Exos支架植入拔牙窝后能够发挥有效的抗菌作用，为后续骨重建提供了有利条件。Micro-CT、荧光成像技术以及组织学染色结果显示该支架具有良好的生物相容性和生物安全性，同时显示促进拔牙窝部位成骨和血管生成方面的有效性，具备优越的成骨和骨整合能力。此外，GL13K和BMSCs-Exos的协同作用显著加速了骨组织重塑，促使新生骨组织明显增加。

图7 体内牙槽骨再生评估

8.基因表达及生物活性分析

体外和体内实验结果显示，由于GL13K和BMSCs-Exos的联合作用，G-SIS/HA + gel-Exos支架表现出最佳的血管生成和成骨能力。因此，作者通过RNA测序进一步探索了同轴支架的潜在调控机制。结果表明G-SIS/HA + gel-Exos同轴支架上调了涉及PI3K-Akt通路和TGF-β等通路的基因，在骨髓间充质干细胞的成骨分化中起关键作用。综上，作者设计的这种可变形的SIS/HA同轴支架有望归巢内源性细胞，诱导血管生成和骨再生。

图8 基因表达及生物活性分析

总结与展望

作者通过独特的结构设计和功能修饰制备的SIS/HA复合水凝胶同轴支架，实现了结构强度和生物活性的双重优化。在GL13K和BMSCs-Exos的作用下，不仅能有效发挥抗菌作用，还能促进支架内外区域新骨和血管的形成，从而缩短牙槽骨修复时间，避免骨缺损中心区域骨形成不足。作者相信，该综合骨修复平台具有优异的机械强度和一定的变形能力，集抗菌活性、血管生成、高效诱导成骨分化等多种功能于一体，可为临床拔牙后牙槽窝骨体积的保存提供新的思路。

来源：EngineeringForLife一点号