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骨损伤是常见的组织损伤之一。骨损伤发生后,其内部微环境会发生一系列的变化,包括:1、损伤部位酸碱度由正常的偏碱性变为酸性,然后随着骨损伤愈合慢慢变回碱性;2、损伤部位的过氧化氢(H2O2)含量也会因血管破裂而升高;3、损伤部位的氧张力因血供不足而下降。酸性环境会促进骨骼末端对盐和钙的吸收,同时也会造成酸中毒,影响骨组织愈合过程,而H2O2是参与诱导产生炎症反应的小分子,在骨损伤愈合过程中造成血肿,进而延缓骨组织愈合过程,甚至会导致骨组织不愈合。骨损伤后,活性氧(ROS)会通过影响损伤部位微环境抑制骨髓细胞活性,进而抑制骨组织愈合。大量研究表明,改善骨损伤愈合过程中的微环境会加快骨修复或骨再生。针对骨损伤微环境的特性,我们以偏酸和高H2O2环境下降解的空心二氧化锰(H-MnO2)纳米粒子作为响应性释放骨形态发生蛋白-2(BMP-2)多肽的药物载体,将其与甲基丙烯酸酐化明胶(GelMA)复合,制备出骨缺损环境响应性释放BMP-2多肽的MnO2/GelMA复合水凝胶,以用于骨修复。该材料植入大鼠颅骨缺损部位后,复合水凝胶中的H-MnO2将对损伤部位的酸性和高H2O2环境微环境产生响应,逐步降解并释放BMP-2多肽,促进骨修复。同时,复合水凝胶中的H-MnO2与H2O2反应可产生氧气(O2),使其在消耗H2O2、降低炎症反应几率的同时,提高成骨细胞活性,加快骨组织愈合。此外,该材料降解产生的锰离子(Mn2+)也可促进骨修复。在本论文第一部分,我们制备了 MnO2/GelMA复合水凝胶,并对其性能进行表征。首先,以二氧化硅(SiO2)纳米粒子为模板,利用高锰酸钾(KMnO4)与SiO2表面羟基的氧化还原反应,制备得到具有核壳结构的SiO2@MnO2纳米粒子,通过碳酸钠(Na2CO3)对SiO2的刻蚀作用,去除SiO2@MnO2纳米粒子中的SiO2,最终制得H-MnO2纳米粒子。然后,将H-MnO2纳米粒子加入GelMA水凝胶中,制备MnO2/GelMA复合水凝胶。通过透射电子显微镜(TEM)对制备的H-MnO2纳米粒子的结构进行表征,通过扫描电子显微镜(SEM)对MnO2/GelMA复合水凝胶的断面形貌进行表征。通过力学实验,测试含有不同H-MnO2纳米粒子的复合水凝胶的力学性能。通过细胞骨架染色、CCK-8和活死染色,探究MnO2/GelMA复合水凝胶的生物相容性。结果表明,通过模板法成功制备得到H-MnO2纳米粒子,粒径分布较均一,为250～300 nm。随着GelMA中H-MnO2纳米粒子含量由0.25%增加到1%,复合水凝胶的杨氏模量由3.74±0.37 kPa降为1.82±0.18 kPa,但仍具有较好的强度。不仅如此,MnO2/GelMA复合水凝胶具有良好的生物相容性,可促进大鼠骨髓间充质干细胞(BMSC)黏附和增殖。在本论文第二部分,我们研究了负载BMP-2 多肽的 MnO2/GelMA(BMP-2/MnO2/GelMA)复合水凝胶的成骨性能。首先,利用H-MnO2纳米粒子负载BMP-2多肽,在酸性环境(pH 5.5,pH 6.5)和过氧化氢存在的条件下研究MnCO2/GelMA复合水凝胶中BMP-2多肽的释放情况。然后,通过碱性磷酸酶(ALP)染色、茜素红染色和检测ALP、Col-1、OPN、OCN、Runx2等成骨相关基因的表达,探究BMP-2/MnO2/GelMA复合水凝胶的体外成骨性能。利用大鼠颅骨缺损模型,植入BMP-2/MnO2/GelMA复合水凝胶,通过Micro-CT和苏木精-伊红(H&E)染色分别对新生骨骨量及骨形态进行分析。结果表明,H-MnO2在酸性环境下发生降解并释放BMP-2多肽,28天时释放率高达95%。ALP及茜素红染色结果显示,BMP-2/MnO2/GelMA复合水凝胶在同时期内高效表达碱性磷酸酶及形成大量的钙沉积。不仅如此,PCR结果显示,BMP-2/MnO2/GelMA复合水凝胶中的ALP、Col-1、OPN、OCN、Runx 2表达量均高于其他组,表明其具有非常优异的体外成骨功能。动物实验表明,BMP-2/MnO2/GelMA复合水凝胶能较好地修复大鼠颅骨缺损,8周时已修复接近90%以上的缺损,可作为优异的成骨材料用于骨组织工程。综上所述,利用模板法,我们成功制备得到H-MnO2纳米粒子,该粒子可以响应酸性微环境发生降解,并可与双氧水反应,消耗双氧水地同时产生氧气,可以保护细胞免受低氧环境损害。不仅如此,我们制备的H-MnO2纳米粒子可以加载促成骨的BMP-2多肽,与GelMA复合形成的BMP-2/MnO2/GelMA 水凝胶具有优异地体内、体外成骨功能,可作为生物活性材料用于骨组织工程。