01
研究内容简介
图1 用于糖尿病牙周骨缺损再生的具有多功能特性的PGO-PHA-AG支架合成示意图。（a）PHA合成示意图。（b）PGO合成示意图。（c）物理化学双交联PGO-PHA-AG支架网络中的相互作用方式。（d）糖尿病牙周微环境中ROS、M1型巨噬细胞和炎性因子过度表达。（e）该支架促进细胞粘附，将内源性电信号传递给细胞，进而激活钙离子通道。（f）PDA的细胞粘附能力和ROS清除能力赋予支架免疫调节能力，降低巨噬细胞向M1型方向极化，促进巨噬细胞向M2型巨噬细胞方向极化并分泌成骨相关细胞因子。（g）支架的电活性和免疫调节能力协同促进糖尿病牙周骨缺损再生。
一、PGO-PHA-AG支架具有良好的导电性能、力学性能、回复性、吸液能力
PDA功能化可加强PGO的导电性，PGO为支架提供了导电通路，使支架具有良好的导电性能。PHA和PGO纳米颗粒的纳米增强效应增加了支架的压缩强度。PGO的亲水性为支架带来优异的吸液能力（图2）。
图2 PGO、PHA、PGO-PHA-AG支架的表征。（a）PGO的TEM图像。（b）GO、rGO、PGO分散于去离子水中60分钟后的图像。（c）PHA的TEM和（d）高分辨TEM图像。（e）PHA表现出典型的丁达尔效应。（f, g）PGO-PHA-AG支架的SEM图像。（h）PGO-PHA-AG支架的EDS元素mapping图像。（i）PGO-PHA-AG支架接入电路并点亮发光二极管（LED）。（j）不同PGO含量的支架的电导率。（k）压缩PGO-PHA-AG支架后的电导率（0, 25, 50, 75%）。（l）AG支架、PHA-AG支架、PGO-PHA-AG支架的压缩强度。（m）对带有发光二极管的PGO-PHA-AG支架进行压缩，压缩应力去除后回复到初始形状。（n）将PGO-PHA-AG支架置于含罗丹明的去离子水中3秒。（o）AG、PHA-AG、PGO-PHA-AG支架的吸液能力。
二、PGO-PHA-AG支架具有良好的电活性、活性氧清除能力和免疫调节能力
PGO-PHA-AG电活性支架是一个有前景的促干细胞成骨分化平台。PHA为支架提供骨诱导能力，PGO为支架提供导电通路。电刺激和PGO-PHA-AG支架协同促进BMSCs的成骨分化。PGO-PHA-AG支架将电信号传递给BMSCs，激活BMSCs表面的Ca2+通道，细胞内的Ca2+浓度增加，进而促进BMSCs的成骨分化（图3）。由于支架表面丰富的邻苯二酚基团和氧化还原性能，其可有效保护细胞免受过量ROS的损害（图4）。PGO-PHA-AG支架可调节巨噬细胞从M1型极化为M2型，并促进M2型巨噬细胞分泌成骨相关细胞因子（图5）。为探究支架对巨噬细胞的免疫调控机制，该团队对不同组的巨噬细胞进行转录组测序。结果发现支架一方面通过清除ROS抑制糖酵解通路减少M1型巨噬细胞，另一方面通过RhoA/ROCK信号通路激活巨噬细胞向M2型极化（图6）。
图3 支架表面的BMSCs的粘附和高通量电刺激。（a）BMSCs在AG、PHA-AG和PGO-PHA-AG支架表面的细胞形态。（b）BMSCs的细胞铺展面积。（c）培养3和7天后，BMSCs在不同支架上的增殖活性。（d）高通量电刺激的示意图。电活性支架向BMSCs传递电信号，导致Ca2+内流，最终促进BMSCs成骨分化。（e）在不同电压刺激下，14天后不同支架上的BMSCs碱性磷酸酶（ALP）活性。（f–h）培养14天后，有无电刺激对不同支架上的成骨相关基因表达的影响，包括I型胶原（COL1A1）、成骨细胞特异性转录因子（Osx）、碱性磷酸酶（ALP）。（i）通过流式细胞术检测异硫氰酸荧光素（FITC）通道中Fluo-4 探针标记的细胞，检测电刺激对PGO-PHA-AG支架上细胞内的Ca2+浓度的影响。
图4 PGO-PHA-AG支架的体外抗氧化性能。（a）PGO-PHA-AG支架的抗氧化能力的机制。（b）PGO-PHA-AG支架的循环伏安（CV）曲线。（c）不同支架清除DPPH自由基的效率。（d）不同支架清除细胞内ROS的性能。（e）通过流式细胞术检测FITC通道中DCFH-DA标记的细胞。
图5 PGO-PHA-AG支架对巨噬细胞的免疫调节能力。（a）和不同支架培养的巨噬细胞的诱导型一氧化氮合酶（iNOS）、CD163、细胞核的免疫荧光染色。（b）iNOS和CD163的免疫蛋白印迹分析。（c）通过流式细胞术检测CD86（M1型巨噬细胞）和CD206（M2型巨噬细胞）的表达来评估巨噬细胞的极化情况。（d）M1巨噬细胞相关基因表达，包括白细胞介素-1β（IL-1β）、肿瘤坏死因子-α （TNF-α）和iNOS。（e）M2巨噬细胞相关基因表达，包括CD206、CD163和精氨酸酶1（Arg1）。（f）巨噬细胞分泌的成骨相关基因，包括骨形态发生蛋白-2（BMP-2）和转化生长因子-β1（TGF-β1）。（g, h）巨噬细胞条件培养液培养7天后BMSCs的ALP染色和ALP活性定量分析。（i）在巨噬细胞条件培养液中培养7天后，BMSCs的成骨相关基因表达，包括ALP、COL1A1和Runx2。（j, k）巨噬细胞条件培养液培养14天后BMSCs的ARS染色和定量分析。
图6 PGO-PHA-AG支架诱导巨噬细胞极化的机制探究。（a）在AG和PGO-PHA-AG支架上培养的巨噬细胞的基因本体分析。BP：生物过程；CC：细胞成分；MF：分子功能。（b）AG与PGO-PHA-AG组的KEGG通路富集分析。（c）对涉及HIF-1信号通路、糖酵解通路、促炎细胞因子、细胞粘附分子、细胞骨架排列和机械传导的差异表达基因进行热图分析。（d）PGO-PHA-AG支架上巨噬细胞极化机制示意图。
三、PGO-PHA-AG在糖尿病牙周骨缺损模型中的促修复性能
基于支架良好的电活性、抗氧化活性、抗炎能力、免疫调节能力协同作用，该支架可加速糖尿病炎症条件下的牙周骨组织修复再生（图7和8），为设计免疫调节生物材料治疗免疫相关疾病和组织再生提供了一种新的策略。
图7 大鼠体内糖尿病牙周骨缺损修复。（a）支架植入糖尿病大鼠牙周骨缺损模型。（b）大鼠下颌骨植入部位的Micro-CT图像。（c）四组的骨密度（BMD）比较。（d）四组的骨体积与总体积的比率（BV/TV）比较。（e, f）植入后28天缺损区域的H&E和Masson染色。FT: 纤维组织；NB: 新骨；MB: 成熟骨。（g–l）植入后14天牙周缺损区域8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）、4-羟基壬烯醛（4-HNE）和白细胞介素-6（IL-6）（红色）的免疫荧光染色和均一化荧光强度。
图8 缺损区域的免疫荧光染色。（a–d）缺损区域iNOS和CD206（红色）的免疫荧光染色，以及均一化荧光强度。（e–h）牙周缺损区域骨钙素（OCN）和Runt相关转录因子2（Runx2）（绿色）的免疫荧光染色，以及均一化荧光强度。
02
论文第一/通讯作者简介
第一作者：李亚祯
博士，四川大学华西口腔医学院，研究方向是生物材料与牙周组织修复再生。现就职于上海交通大学医学院附属第九人民医院。
通讯作者：鲁雄
西南交通大学材料科学与工程学院教授，先后入选教育部新世纪优秀人才资助计划(2010), 四川省杰出青年学术技术带头人资助计划(2011)，日本学术振兴会博士后研究员（JSPS Fellow, 2011-2013）。主持国家自然科学基金，国家重点研发计划课题等项目多项。主要从事生物活性材料及组织修复，抗菌材料，生物医用水凝胶，材料基因工程，生物材料理论计算模拟等领域的相关工作。在Nature Communications, Matter, Advanced Functional Mater, ACS Nano, Nano Letters, Biomaterials, Chemistry of Materials, Small等期刊上共发表三大检索收录论文200余篇，论文总引用6000余次。获授权发明专利20余项。
通讯作者：谢超鸣
西南交通大学材料科学与工程学院研究员，四川省千人。主要研究方向为基于多酚化学的生物材料功能化，研究多酚基生物材料的材料生物学效应。相关成果发表在Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Matter, Advanced Functional Materials等国际期刊30余篇。获得相关授权专利10余项。主持国家自然科学基金、四川省科技厅、中国博士后科学基金特别资助、中国博士后科学基金面上等项目。担任Smart Materials in Medicine杂志编委。
通讯作者：赵志河
四川大学华西口腔医（学）院教授、博士研究生导师，从事正畸临床工作30余年。现为四川大学华西口腔医院教授委员会主任，国家卫生健康委员会有突出贡献中青年专家，四川省学术和技术带头人，国际牙医师学院(ICD)院士(Fellow)。曾任中华口腔医学会第5届口腔正畸专业委员会主任委员，现任中国医师协会口腔医师分会副会长、中华口腔医学会理事、口腔正畸专业委员会委员，《中华口腔正畸学杂志》副总编，《中华口腔医学杂志》、《华西口腔医学杂志》等期刊编委，International Journal of Oral Science杂志编委，“国家级精品课程”、“国家级精品资源共享课”、“国家级一流本科线上课程”《口腔正畸学》负责人。主编《口腔正畸学》(教育部、国家卫生健康委员会全国高等学校五年制本科口腔医学专业“十三五”国家级规划教材)等著作8部，参编9部，主译1部。主持了8项国家自然科学基金研究项目，其中1项重点项目。发表专业论文330余篇，其中被SCI收录170余篇。主持的研究获教育部进步奖一等奖、四川省科技进步一等奖共2项，获省部级科技进步二等奖共2项。
通讯作者：王军
四川大学华西口腔医（学）院教授、博士研究生导师，正畸科主任，中华口腔医学会正畸专业委员会常委，中华口腔医学会计算机专业委员会委员，四川省口腔医学会正畸专业委员会副主任委员，教育部新世纪人才项目获得者，国际牙医师学院院员（Fellow），四川省卫生健康委学术技术带头人，四川省学术和技术带头人及后备人选，成都市知联会副会长。先后主持国家自然科学基金7项，以第一作者或通讯作者发表包括Cell Reports、AFM、JDR、AJO等专业权威论文45篇，获授权专利10项。获教育部科技进步一等奖、中华医学科技奖二等奖、四川省科技进步奖一等奖各1项。基于人工主导研发正畸头影测量系统（Uceph）和正畸图片智能管理系统（Usorter）各1项，并成功转化广泛应用于口腔临床及研究。
03
资助信息
上述研究工作得到了国家自然科学基金、四川大学华西口腔医院探索与研发项目等基金支持。
04
原文信息
Yazhen Li, Lu Yang, Yue Hou, Zhenzhen Zhang, Miao Chen, Maoxia Wang, Jin Liu, Jun Wang*, Zhihe Zhao*, Chaoming Xie*, and Xiong Lu*.
Polydopamine-mediated graphene oxide and nanohydroxyapatite-incorporated conductive scaffold with an immunomodulatory ability accelerates periodontal bone regeneration in diabetes.
Bioactive Materials, 18, (2022) 213-227.
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Bioactive Materials是一本高质量英文期刊，目前已经被SCIE、PubMed Central、Scopus、Embase收录。同时本刊还入选了2019年中国科技期刊卓越行动计划--“高起点新刊”项目。
2022年Bioactive Materials 获得影响因子16.874 ，在Materials Science，Biomaterials领域排名第一。
位于《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区表》1区，TOP期刊。
CiteScore 2021: 14.3。