北科納米可提供二維碳化鈮MXene納米片（可定制）

骨腫瘤術(shù)后復(fù)發(fā)和腫瘤切除后繼發(fā)骨缺損是臨床醫(yī)生面臨的棘手問題。同時(shí)具有腫瘤消融和誘導(dǎo)骨再生能力的多功能生物療修材料(兼具治療和修復(fù)功能)有望開發(fā)用于臨床骨腫瘤治療。二維碳化鈮(Nb?C) MXene具有良好的生物相容性和生物可降解性，在第二近紅外(NIR-II)生物窗口中具有固有的光響應(yīng)和光熱轉(zhuǎn)換性能。本工作將2D Nb?C MXenes整合到3D多孔生物玻璃支架中，實(shí)現(xiàn)了光熱熱療殺死骨腫瘤細(xì)胞及血管化驅(qū)動(dòng)新骨形成的多重功能，為骨腫瘤治療提供了一種新型生物療修支架材料。

Nb?C MXene-Functionalized Scaffolds Enables Osteosarcoma Phototherapy and Angiogenesis/Osteogenesis of Bone Defects

Junhui Yin,?Shanshan Pan, Xiang Guo, Youshui Gao, Daoyu Zhu, Qianhao Yang, Junjie Gao*, Changqing Zhang*, Yu Chen*

Nano-Micro Letters?(2021)13: 30

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00547-6

本文亮點(diǎn)

1.?采用2D碳化鈮MXene納米片復(fù)合3D打印生物玻璃支架，實(shí)現(xiàn)兼具光熱治療和骨修復(fù)功能的生物復(fù)合支架材料的制備。

2.?該生物復(fù)合支架材料實(shí)現(xiàn)了NIR-II生物窗下骨肉瘤的高效光熱消融。

3.?該生物復(fù)合支架材料具備良好的骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性，能夠驅(qū)動(dòng)缺損部位血管化并促進(jìn)骨再生。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

早期手術(shù)切除和化療是治療骨腫瘤的常用方法，但預(yù)防復(fù)發(fā)和填補(bǔ)切除部位引起的骨缺損仍具有較高的挑戰(zhàn)性。上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院高俊杰，張長(zhǎng)青等；上海大學(xué)陳雨等在本文中報(bào)道了一種近紅外光激發(fā)的二維超薄碳化鈮MXene納米片復(fù)合到3D打印的生物玻璃支架(NBGS)用于治療骨肉瘤的方法。集成的2D Nb?C-MXene在第二近紅外(NIR-II)生物窗中具有光響應(yīng)及較高的組織穿透深度，使其能夠有效殺傷骨癌細(xì)胞。此外，該材料能明顯促進(jìn)血管新生。支架降解過程中釋放的鈣和磷酸鹽可以促進(jìn)新骨組織的礦化。具有殺傷骨腫瘤細(xì)胞、促進(jìn)血管新生和骨再生等多種功能的碳化鈮MXene復(fù)合支架是一種對(duì)骨腫瘤有較好療效的植入性生物療修材料。

圖文導(dǎo)讀

I?2D Nb?C MXene NSs的合成與表征

采用化學(xué)剝離法制備2D Nb?C MXene NSs。SEM圖像顯示，固相燒結(jié)制備的Nb?AlC陶瓷(MAX相)具有致密的層狀組織。如圖1所示，SEM圖像和對(duì)應(yīng)的元素含量表明，該MAX相陶瓷為Nb、Al和C三元化合物(圖1b)。用HF處理后，形成了多層結(jié)構(gòu)(MXene)，Al含量明顯降低(圖1d)。經(jīng)過TPAOH的進(jìn)一步插入，得到了少層的Nb?C NSs。與Nb?AlC相比，Nb?C NSs中Nb元素的信號(hào)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，而Al元素的信號(hào)強(qiáng)度降低。與XPS數(shù)據(jù)一致，拉曼光譜顯示元素Al在Nb?C中的NSs比Nb?AlC粉中的損失顯著。經(jīng)過HF和TPAOH處理后，Nb?CNSs顯示出層狀結(jié)構(gòu)。

圖1.?超薄2D Nb?C MXene NSs的制備與表征。(a-b) Nb?AlC陶瓷對(duì)應(yīng)元素(Nb、Al和C)的SEM圖像；(c-d)?多層Nb?CMXene及其對(duì)應(yīng)元素(Nb、Al和C)的SEM圖像；(e) 超薄Nb?C MXene NSs的TEM圖像；(f) Nb?AlC和Nb?CNSs的X射線光電子能譜(XPS)；(g) Nb?AlC體和Nb?C NSs的拉曼光譜。

II?3D NBGS的合成與表征

直觀上看，從BGS、0.25 NBGS、0.5 NBGS到1.0 NBGS，支架的顏色由白色逐漸變?yōu)楹谏贜b?C NSs改性過程中，其3D清晰的微孔結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化。此外，隨著Nb?C NSs濃度的升高，Nb?C NSs在NBGS表面相應(yīng)增加，而微孔減少。NBGS的截面形貌和放大的界面SEM圖像表明Nb?C NSs和BGS的成功整合。

圖2.?3D NBGS的合成與表征。(a-d) 具有三維幾何結(jié)構(gòu)的BGS和NBGS的數(shù)碼照片；(e-p) 不同放大率的SEM圖像；(q) BGS和NBGS的XRD譜圖；(r) BGS和NBGS的XPS譜；(s) BGS和NBGS的拉曼光譜。

III?NBGS的光熱特性和抗腫瘤性能將NBGS用于體內(nèi)抗腫瘤實(shí)驗(yàn)獲得了較好的效果。支架植入后24小時(shí)在腫瘤部位進(jìn)行NIR-II (1064 nm激光)光觸發(fā)熱消融。近紅外照射3 min內(nèi)，異種移植物表面溫度升高至~56℃，明顯高于對(duì)照組(~40℃)。次日，對(duì)隨機(jī)采集的各組腫瘤標(biāo)本進(jìn)行H&E、TUNEL和Ki-67染色，觀察骨肉瘤消融效果。TUNEL和H&E染色顯示BGS組、BGS+NIR組、NBGS組凋亡腫瘤細(xì)胞較少，而NBGS+NIR組可見明顯的核解離，腫瘤細(xì)胞大量死亡。Ki-67染色也支持TUNEL和H&E染色結(jié)果。這些結(jié)果表明，NBGS可以有效殺死腫瘤細(xì)胞。為了評(píng)價(jià)NBGS的急性毒性作用，在激光照射后24 h取小鼠主要器官進(jìn)行H&E染色。治療組和對(duì)照組均未出現(xiàn)明顯的炎癥浸潤(rùn)或其他病理異常，說明NBGS用于光熱骨腫瘤消融具有良好的生物安全性。

圖3.?BGS/NBGS的光熱特性及抗腫瘤性能。(a) PBS中1.0NBGS和BGS的溫度變化曲線；(b) 不同處理后Saos-2細(xì)胞的相對(duì)活性；(c) 不同處理組Calcein-AM/PI染色；(d) 腫瘤組織的H&E、TUNEL和Ki-67染色圖像；(e) 植入1.0 NBGS和BGS的小鼠模型在NIR-II激光照射后的溫度曲線；(f) 不同治療方案荷瘤小鼠的腫瘤體積；(g) 荷瘤小鼠體重；(h) 不同治療組小鼠的生存曲線。IV?NBGS在體內(nèi)和體外均可刺激血管新生血管在骨修復(fù)的整個(gè)過程中起著至關(guān)重要的作用。血管新生與骨形成密切相關(guān)。當(dāng)骨缺損發(fā)生時(shí)，成骨前體細(xì)胞通過新生血被管募集到損傷處參與成骨。該工作在體外及體內(nèi)分析了BGS和NBGS促進(jìn)血管形成方面的差異(如圖4所示)。劃痕實(shí)驗(yàn)和遷移實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NBGS顯著提高了HUEVCs的遷移能力。成管實(shí)驗(yàn)可見NBGS組分支數(shù)更多。為了闡明NBGS促進(jìn)血管形成的機(jī)制，我們采用QPCR方法檢測(cè)了成管相關(guān)基因的表達(dá)。與BGS組相比，NBGS可以持續(xù)促進(jìn)VEGF-B和FGF2的表達(dá)，表明NBGS具有更好的促進(jìn)血管生成的功能。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，將NBGS植入大鼠顱骨缺損處3周后，通過Microfil灌注觀察支架周圍的血管新生情況。實(shí)驗(yàn)可見圍繞NBGS有更密集的血管網(wǎng)絡(luò)。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)與體外結(jié)果一致。結(jié)果證明：從NBGS中釋放的Nb可刺激血管化，是促進(jìn)成骨耦合的理想元素。

圖4.?BGS和NBGS在體內(nèi)外刺激血管新生。(a)?劃痕實(shí)驗(yàn)；(b)?遷移實(shí)驗(yàn)；(c)?增殖實(shí)驗(yàn)；(d-f)?成管效果分析；(j-n)?體內(nèi)植入支架的三維重建圖像；(o)?新生血管定量分析。V?NBGS在體外及體內(nèi)成骨療效評(píng)價(jià)羥基磷灰石在間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)增殖和成骨分化中發(fā)揮重要作用。Ca/P比值越接近羥基磷灰石組成，礦化能力越強(qiáng)。NBGS的Ca/P比值有利于MSC成骨分化和新生骨礦化，在體內(nèi)具有更好的促進(jìn)骨再生性能。與NBGS共培養(yǎng)的hBMSCs增殖更好。此外，細(xì)胞中成骨相關(guān)基因COL1、OCN和OPN的表達(dá)顯著上調(diào)。茜素紅染色結(jié)果與QPCR結(jié)果一致。因此，NBGS具有良好的生物活性、生物相容性和誘導(dǎo)成骨性能，可作為驅(qū)動(dòng)骨再生的良好生物材料。SD大鼠骨缺損模型是目前研究骨缺損再生最常用的模型之一。通過構(gòu)建SD大鼠顱骨骨缺損模型，植入NBGS和BGS后利用micro-CT評(píng)估NBGS促進(jìn)骨再生的效果。結(jié)果表明NBGS促進(jìn)骨新生能力明顯高于BGS組。

圖5.?BGS/NBGS對(duì)成骨的影響。(a)?與BGS/NBGS共培養(yǎng)的hBMSCs的共聚焦圖像；(b)?對(duì)照組、BGS組和NBGS組hBMSCs成骨基因(COL1、RUNX2、OCN、OPN)表達(dá)；(c)?茜素紅染色；(d-l)?micro-CT評(píng)估各組骨再生情況。通過熒光三色實(shí)驗(yàn)對(duì)大鼠顱骨修復(fù)進(jìn)一步評(píng)估(如圖6所示)。與BGS組相比，NBGS支架表現(xiàn)出更好的誘導(dǎo)骨再生性能。通過H&E染色和Masson染色結(jié)果發(fā)現(xiàn)植入NBGS的骨缺損處有大量礦化骨組織，且未見明顯殘留支架。此外，Goldner染色顯示，BGS組的缺損區(qū)在殘余材料周圍有新的類骨質(zhì)(紅色組織)混合物，而NBGS周圍骨組織已經(jīng)大量礦化成熟(綠色組織)。這一結(jié)果表明該支架具有良好的骨再生和降解能力。

圖6.?新生骨熒光成像和組織學(xué)染色。(a-e)?第2、4、6周皮下注射鹽酸四環(huán)素(藍(lán)色熒光)、鈣黃綠素AM(綠色熒光)和茜素紅(紅色熒光)，不同顏色的熒光代表不同時(shí)間的新生骨組織；(f-k) H&E染色、Masson染色及Goldner染色。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新骨沿支架孔隙長(zhǎng)入(如圖7所示)。這些結(jié)果表明在體內(nèi)材料引導(dǎo)下骨再生良好，具有良好的骨傳導(dǎo)性。圖7g-i展示了不同時(shí)期新骨組織形成的過程。第8周時(shí)大量成纖維細(xì)胞分布在支架間隙。16周時(shí)支架生物降解伴隨紅色類骨質(zhì)逐漸填充，展現(xiàn)了NBGS組的骨形成和支架降解過程的協(xié)同進(jìn)行。前述研究證實(shí)了Nb?C可以明顯促進(jìn)血管形成，通過豐富的血運(yùn)可聚集更多的免疫細(xì)胞在缺陷部位周圍，加速NBGS的降解。此外，大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、氧氣和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞通過新生血管運(yùn)往骨缺損部位，促進(jìn)骨再生。NBGS的降解為骨重建提供了足夠的空間。支架降解過程中釋放的鈣和磷酸鹽可以促進(jìn)新骨組織的礦化。與之相比，對(duì)照組因?yàn)樾律芟∩伲瞎?yīng)不足，顯著減緩了BGS支架的降解速度。

圖7.?材料引導(dǎo)的體內(nèi)骨組織再生。(a-d)?缺損區(qū)新生骨共聚焦成像；(e) microCT橫切面成像；(f) 第8周NBGS組的Goldner染色；(g-i) 第8、16、24周NBGS組Goldner染色。

作者簡(jiǎn)介

高俊杰

本文通訊作者

上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院 助理研究員

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院 副研究員▍主要研究領(lǐng)域

骨缺損修復(fù)機(jī)制，骨骼系統(tǒng)中的外泌體識(shí)別機(jī)制，骨細(xì)胞間線粒體轉(zhuǎn)運(yùn)以及骨穩(wěn)態(tài)調(diào)控機(jī)制等。

▍主要研究成果

在Sci. Adv., Nano Lett., STTT, Bone Res.等學(xué)術(shù)期刊以第一作者或通訊作者發(fā)表論文。獲得博士后國(guó)際交流計(jì)劃引進(jìn)項(xiàng)目資助，主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金、中國(guó)博士后基金面上資助等項(xiàng)目。

▍Email:?colingjj@163.com

張長(zhǎng)青

本文通訊作者

上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院

主任醫(yī)師，教授▍主要研究領(lǐng)域

主要致力于骨科疑難疾病和骨科生物材料的應(yīng)用研究。包括股骨頭壞死、PRP、肋軟骨移植及骨組織、軟組織修復(fù)材料的研究。

▍主要研究成果

主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃1項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)、衛(wèi)生部行業(yè)專項(xiàng)基金1項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目3項(xiàng)等十余項(xiàng)課題。發(fā)表SCI論文282篇，出版專著12部。授權(quán)和申請(qǐng)發(fā)明專利21項(xiàng)，專利轉(zhuǎn)化4項(xiàng)。獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)12項(xiàng)，包括教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、中華醫(yī)學(xué)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1次、上?？萍歼M(jìn)步一、二、三等獎(jiǎng)。入選全國(guó)先進(jìn)工作者、衛(wèi)生部中青年優(yōu)秀專家、上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人、上海市領(lǐng)軍人才、上海市“十佳”醫(yī)生等殊榮。

▍Email:?zhangcq@sjtu.edu.cn

陳雨

本文通訊作者

上海大學(xué)?教授▍主要研究領(lǐng)域

聚焦材料醫(yī)學(xué)(Materdicine)，圍繞生物醫(yī)用微/納功能材料的可控制備、生物學(xué)效應(yīng)及其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，發(fā)展了多種新型的制備方法獲得了具有臨床應(yīng)用/轉(zhuǎn)化前景的生物材料體系，并發(fā)展了多種高效的腫瘤診療新模式，包括能量轉(zhuǎn)化納米醫(yī)學(xué)和生物材料(Energy-converting biomaterials)。

▍主要研究成果

國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者，國(guó)家“萬人計(jì)劃”青年拔尖人才，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“青年科學(xué)家”專項(xiàng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人。中國(guó)抗癌協(xié)會(huì)青年理事會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)化學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)委員、《Exploration》副主編、《Science Bulletin》Executive Member of Editorial Board、《MaterialsToday Chemistry》Editorial Board Member、《無機(jī)材料學(xué)報(bào)》編委、《Chinese Chemical Letters》青年編委等。以第一或通訊作者共發(fā)表SCI論文150余篇，包括Nature Communications (5), AdvancedMaterials (30), Biomaterials (20), Chemical Reviews (1), Chemical SocietyReviews (2), Accounts of Chemical Research (1), J. Am. Chem. Soc. (4), Angew.Chem. Int. Ed. (3), Nano Letters (2), Advanced Functional Materials (10), ACSNano (9), Nano Today (4), Chem. (1), Small (3),?MaterialsScience and Engineering: R: Reports?(1)等，論文被引用20000余次，H-index為75，30余篇論文入選ESI高被引論文，連續(xù)入選2018年、2019年和2020年“全球高被引科學(xué)家”。

▍Email:?chenyuedu@shu.edu.cn

撰稿：原文作者

編輯：《納微快報(bào)》編輯部