苏州大学李斌、杨惠林和江苏大学潘国庆：通过天然糖肽分子识别构建类血肿动态水凝胶用于骨折感染修复

近期，苏州大学李斌教授、杨惠林教授和江苏大学潘国庆教授在科爱创办的期刊Bioactive Materials上联合发表文章：利用糖肽类抗生素万古霉素及其靶向二肽D-Ala-D-Ala的天然可逆识别策略，设计开发了一种模拟骨折周围血肿的动态支架，用于骨折感染的治疗。为抗菌生物材料恢复局部炎症微环境稳态、实现自然功能性骨愈合提供了新思路。

01

研究内容简介

通过生物材料推动骨感染的修复是科研工作者和临床医生面临的一大挑战。该研究利用糖肽类抗生素万古霉素（Van）及其靶向二肽D-Ala-D-Ala（AA）的天然可逆识别策略，设计了开发了一种模拟骨折周围血肿的含成骨生长肽（OGP）动态网络水凝胶系统，用于感染性骨折修复。结果显示：该仿血肿水凝胶系统具有有效杀菌和促成骨分化的能力。进一步研究表明，该水凝胶系统可实现局部炎症微环境重塑，同步抑制感染、促骨形成，实现自然和功能性骨愈合。（图1）

图1. Van-AA-OGP水凝胶的合成和应用以及杀菌和成骨作用机理的示意图。

研究者通过NHS-酯交联反应，制备了Van单体与AA单体，进而经光引发聚合反应合成Van-AA-OGP水凝胶体系。形态学实验验证了该水凝胶的可注射性、自愈合性（Fig. 2D, E, I）。流变学显示，Van-AA-OGP水凝胶的粘弹性与血肿相似（Fig. 2J-K）。此外，Van-AA-OGP水凝胶体系还显示出显著的杀菌效果（Fig. 2N），且保留了良好的生物学活性（Fig. 2P）

图 2.Van-AA-OGP水凝胶的动态性，杀菌性能和生物相容性。

体外研究显示，Van-AA-OGP水凝胶体系促进了系列成骨相关基因和蛋白的表达（Fig. 3B-G, J），且在诱导分化7天及14天后分别促进了碱性磷酸酶的表达和钙结节的形成（Fig. 3A, H, I），促进了成骨分化进程。

图 3.Van-AA-OGP水凝胶在体外促进成骨分化。

为了探究Van-AA-OGP水凝胶体系在体内的抗菌效果，研究者建立了小鼠股骨感染性骨折模型，针对感染性骨折局部组织进行了进一步评估，吉姆萨染色、革兰染色、免疫荧光染色以及组织提取物的菌落分析均证实，Van-AA-OGP水凝胶体系在体内保持了良好的抗菌性能，有效清除组织致病菌（图4）。

图 4.Van-AA-OGP水凝胶在体内的杀菌性能。

进一步对体内局部炎症微环境进行研究发现，金葡菌感染的炎症微环境存在大量促炎细胞因子和巨噬细胞、T细胞募集，表现出局部微环境中异常的长期炎症反应和典型的适应性免疫进程。Van-AA-OGP水凝胶体系在体内扭转了感染进程中的炎症微环境，重塑正常局部微环境，从而有效恢复了生理性骨愈合进程（图5）。

图 5.感染性骨折4周后体内炎症微环境分析。

在小鼠感染性骨折模型中，Van-AA-OGP水凝胶体系有效发挥促骨形成的功能，促进长骨骨折的生理性愈合，加速软骨内成骨的骨成熟进程，重塑长骨的完整结构并提升骨骼强度（图6、7）。

图 6.感染性骨折4周后组织学及影像学评价。

图 7.感染性骨折8周后组织学及影像学评价。

综上所述，本研究使用分子识别策略开发了一种模拟血肿的动态水凝胶网络。清除局部致病菌，恢复炎症微环境，促进骨折愈合。为治疗感染性的骨折杀菌生物材料提供新的思路。

02

论文第一/通讯作者简介

第一作者：王晟昊

苏州大学附属第一医院骨科主治医师，博士在读，师从杨惠林教授、李斌教授。从事椎间盘及骨相关生物及材料研究工作。主持国家自然科学基金青年科学基金项目一项。

通讯作者：李斌

苏州大学特聘教授、基础医学与生物科学学院院长、骨科研究所副所长，国家杰青，江苏特聘医学专家。现任国际华人骨研学会会员委员会主席、中国生物医学工程学会组织工程与再生医学分会候任主委及中国生物材料学会智能仿生生物材料分会副主委。任J Orthop Transl, Frontiers Bioeng Biotechnol和Biomater Transl副主编。在PNAS, Sci Adv, JACS, Angew Chem Int Ed, ACS Nano, Adv Mater, Adv Funct Mater, Bone Res 和Biomaterials等期刊发表学术论文170余篇。主持多项国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划课题。获教育部科技进步奖、华夏医学科技奖、江苏省科学技术奖和中华医学会骨科学分会骨科基础研究奖（均为一等奖）。

通讯作者：潘国庆

江苏大学金山特聘教授、研究员、博导。国家优秀青年基金、江苏省杰出青年基金、江苏省优秀青年基金获得者，江苏省特聘教授、欧盟-玛丽居里-学者（Marie Curie Individual Fellow）。发表SCI收录论文100余篇，其中以第一/通讯作者在PNAS, Innovation, Acc Chem Res, Chem Soc Rev, JACS和Angew Chem Int Ed等顶级期刊上发表论文70余篇。担任中国生物材料表界面工程分会委员、Smart Materials in Medicine副主编。曾担任SCI期刊 Frontiers in Chemistry客座副主编。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划课题以及江苏省自然科学基金等多个项目。获江苏省医学科技二等奖、吉林省自然科学奖二等奖等奖项等。

通讯作者：杨惠林

苏州大学附属第一医院骨科主任，大外科主任，苏州大学骨科研究所所长。国际脊柱创新发展学会（ISASS）主席，亚太脊柱微创学会（PASMISS）主席（第19届），国务院学位委员会学科评议组成员（第6、7届），全国先进工作者，卫生部及江苏省有突出贡献中青年专家，江苏省骨科医疗器械与生物材料工程中心主任。发表论文600余篇，主持国家级项目12项，包括863首席、国自然重点等；牵头编写指南、共识21部。以第一完成人获2004、2017年国家科技进步二等奖，2021年度何梁何利基金科学与技术进步奖。

03

资助信息

该研究获得到了国家自然科学基金（32222041，82102619，81925027，21875092）、江苏省自然科学基金（BK20220059）、国家重点研发计划（2019YFA0112000）、江苏省创新创业计划、“江苏省特聘教授”计划、江苏高校优势学科建设工程资助项目的支持。

04

原文信息

Shenghao Wang, Wenbo He, Huan Wang, Dachuan Liu, Miao Wang, Huilin Yang*, Guoqing Pan*, Bin Li*.

Hematoma-like dynamic hydrogelation through natural glycopeptide molecular recognition for infected bone fracture repair.

Bioactive Materials, 30 (2023) 73-84.