在药物相关性颌骨坏死（MRONJ）清创后，骨缺损的愈合是一项具有挑战性的医疗状况，涉及受损的血管生成、易感染和促炎症反应。香港中文大学许建坤/秦岭开发了一种镁（Mg）纳米复合水凝胶，专门针对MRONJ中涉及的多个因素。Mg-氧化物纳米颗粒调节了N-羟基琥珀酰亚胺功能化的超支化聚（乙二醇）与蛋白质之间的凝胶化动力学。这种反应不仅在瞬间固化后增强了机械性能，而且在湿性和出血性等挑战性环境中也能稳定凝胶化。合成的水凝胶通过触发H型血管的形成、激活Osterix+成骨前体细胞和产生抗炎微环境，在MRONJ大鼠中指导下颌骨再生。此外，这种方法还展示了其抑制感染的能力，通过抑制特定病原体的同时加强受影响的牙槽骨的应力耐受性。此外，在迷你猪中分别创建的下颌骨缺损和髂嵴缺损中验证了水凝胶的成骨特性和植入的可行性。总体而言，这项研究提供了一种可注射的创新性骨替代品，通过解决多种有害病理来增强下颌骨缺损的愈合。

该研究以题为“Magnesium Nanocomposite Hydrogel Reverses the Pathologies to Enhance Mandible Regeneration”的论文发表在《Advanced Materials》上。 图1展通过扫描电子显微镜（SEM）观察到MgO纳米颗粒随机附着在水凝胶的互连网络上，且纳米颗粒的浓度影响了水凝胶网络的密度。能量色散光谱（EDS）分析确认了MgO纳米颗粒在水凝胶中的分布。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析揭示了由于MgO纳米颗粒的加入，水凝胶中酰胺键的形成增多。此外，MgO纳米颗粒的存在缩短了水凝胶的凝胶化时间，且这一过程与纳米颗粒的浓度呈剂量依赖性。实验结果表明，通过调整MgO纳米颗粒的浓度，可以精确控制水凝胶的凝胶化时间，从而实现可注射性和适应性塑形，为MRONJ治疗中骨缺损的修复提供了一种有效的生物材料。 

 图1.设计、制备和控制PBM水凝胶的凝胶化 

【MgO纳米颗粒改善水凝胶的物理化学特性与细胞相容性】 

图2探讨了PBM水凝胶在出血环境下的快速交联能力以及其对血液的粘附性，结果表明PBM水凝胶能够在血液存在的情况下迅速凝胶化，并且与血管内壁形成牢固的粘附。此外，该图还展示了MgO纳米颗粒对水凝胶物理化学性质的优化作用，包括提高压缩模量、调节降解速率以及延长Mg2+的释放时间，从而增强了水凝胶的结构稳定性和生物活性。细胞相容性测试结果进一步证实，MgO纳米颗粒的存在促进了骨髓源间充质干细胞（MMSCs）在水凝胶表面的增殖，表明PBM水凝胶具有良好的生物相容性，能够有效促进细胞粘附和生长。 

 图2.MgO纳米颗粒改善水凝胶的物理化学特性与细胞相容性 

【PBM水凝胶体外促进成骨和血管生成作用】 

图3研究了PBM水凝胶在体外对成骨和血管生成的促进作用。实验结果表明，PBM水凝胶提取物能够显著提高骨髓源间充质干细胞（BMSCs）中成骨相关基因的表达，并增加碱性磷酸酶（ALP）活性和钙沉积，显示出良好的成骨促进效果。同时，水凝胶提取物还能显著促进人脐静脉内皮细胞（EA.hy926）的迁移，并增加毛细血管样结构的形成，表明PBM水凝胶具有促进血管生成的能力。 

 图3.PBM水凝胶体外促进成骨和血管生成作用 

【PBM水凝胶促进MRONJ下颌骨再生】

 图4展示了PBM水凝胶在MRONJ大鼠模型中促进下颌骨再生的能力。通过放射学和微CT分析，研究者们观察到PBM水凝胶组相比对照组和PBR水凝胶组，显示出更强的骨膜反应和骨沉积，且在12周时成功覆盖了缺损区域。定量分析进一步证实了PBM水凝胶组在各个时间点的新骨体积分数（BV/TV）均高于对照组，同时新骨的矿物质密度（BMD）也得到显著增强。此外，组织学染色结果显示，PBM水凝胶组在缺损区域形成了更多的新骨组织，并且在12周时完全桥接了愈合界面。这些结果表明，PBM水凝胶有效地促进了MRONJ条件下下颌骨的再生，证明了其在修复复杂骨缺损方面的潜力。

 图4.PBM水凝胶促进MRONJ下颌骨再生 

【PBM水凝胶促进下颌骨再生中的血管生成与干细胞募集】 

图5探讨了PBM水凝胶在下颌骨再生过程中对血管生成和干细胞招募的影响。通过免疫组化（IHC）和免疫荧光（IF）染色，研究发现PBM水凝胶能够显著增加Osterix和Ocn的表达，这些是与成骨活动密切相关的蛋白。同时，PBM水凝胶促进了特征性的H型血管（CD31+ Emcn+）的形成，这些血管与成骨前体细胞的滋养和新骨形成有关。此外，PBM水凝胶还增加了成骨前体细胞和H型血管的数量，表明其在促进骨再生中起到了重要作用。这些结果表明，PBM水凝胶通过促进血管生成和招募干细胞，有效地增强了下颌骨的再生过程。 

 图5.PBM水凝胶促进下颌骨再生中的血管生成与干细胞募集 

【大量RNA测序分析揭示的潜在机制】 

图6通过大量RNA测序分析揭示了PBM水凝胶在下颌骨缺损愈合过程中的潜在分子机制。研究者们发现，与对照组相比，PBM水凝胶显著上调了与生物矿化组织发育、内皮发育以及白细胞介素（IL）-4和IL-10产生调节相关的生物过程。特别是，PBM水凝胶激活了CXCL12/CXCR4轴，这在骨稳态和骨折愈合中起着重要作用。相反，PBM水凝胶下调了角质细胞分化、慢性炎症反应、内皮细胞增殖的负向调节以及转化生长因子-β产生等过程。与PBR水凝胶相比，PBM水凝胶在骨成熟、血管形成、神经分化和骨骼肌组织再生等方面表现出显著的增强，同时下调了炎症反应、角质化和细胞因子介导的信号通路。这些发现表明，PBM水凝胶通过创造碱性环境和持续释放Mg2+，在早期愈合阶段不仅减少了炎症，还激活了血管生成和神经生成，从而在MRONJ中促进了更有效的骨形成和先进的重塑过程。 

 图6.大量RNA测序分析揭示的潜在机制 

【PBM水凝胶处理后骨缺损区域的微生物组成变化】 

图7研究了PBM水凝胶对下颌骨缺损区域局部微生物组成变化的影响。通过16S rDNA测序分析，研究发现与正常状态的Sham组相比，MRONJ组的局部微生物组成复杂性增加，菌群结构和多样性更广泛。然而，经过PBM水凝胶处理后，微生物群落变得更加稳定和一致，这通过主坐标分析（PCoA）和非度量多维尺度分析（NMDS）图得到证实。在门水平上，MRONJ组中Firmicutes、Fusobacteriota和Bacteroidota的丰度更高，而PBM水凝胶能显著降低Bacteroidota的丰度，并抑制Bacteroides、Proteus和Barnesiella等属的增长，这些细菌与MRONJ中的病理变化相关。此外，PBM水凝胶有助于恢复Rothia和Lactobacillus等口腔常驻菌的种群水平。这些结果表明，PBM水凝胶能够调节局部微生物组成，向正常状态转变，特别是在与MRONJ相关的高风险菌群失调和口腔微生物组成变化的情况下。

 图7.PBM水凝胶处理后骨缺损区域的微生物组成变化 

【PBM水凝胶在小型猪下颌骨和髂骨缺损修复中的应用潜力】 

图8展示了PBM水凝胶在小型猪下颌骨和髂骨缺损模型中的应用潜力。通过手术过程的视频展示，研究者们将PBM水凝胶的前体物混合后，成功地将其注射到小型猪的下颌骨和髂骨缺损区域，水凝胶迅速在位固化并与周围组织紧密粘附，形成对再生过程的支持。通过体内CT扫描和组织学分析，结果显示PBM水凝胶处理的下颌骨缺损区域新骨形成指数显著低于对照组，表明PBM水凝胶显著促进了新骨的形成。此外，PBM水凝胶还显示出防止纤维组织侵入缺损区域并促进新骨发育的保护效果。这些发现证实了PBM水凝胶在大型动物模型中促进下颌骨再生的临床转化潜力，展示了其在手术应用中的便利性和有效性。 

 图8.PBM水凝胶在小型猪下颌骨和髂骨缺损修复中的应用潜力 

【小结】 

该研究通过开发一种新型的镁氧化物纳米复合水凝胶，成功地解决了药物相关性颌骨坏死（MRONJ）中骨缺损愈合的挑战，这种水凝胶不仅能够促进血管生成、激活成骨前体细胞、产生抗炎微环境，还能够抑制感染、增强受影响牙槽骨的应力耐受性，从而有效地促进了下颌骨的再生。此外，该水凝胶在小型猪模型中的研究也显示了其在临床转化方面的潜力，为MRONJ患者提供了一种创新的、可注射的骨替代材料，有望通过解决多种不利病理来增强下颌骨缺损的愈合。 

 原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202312920