《Journal of Functional Biomaterials》：Heparin-Based Biomaterials for Sustained Release of Growth Factors for Bone Tissue Engineering and Regeneration
Keisuke Nakayama,
Xueqin Gao,
Britney S. Force,
Marc J. Philippon and
Johnny Huard
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这是一篇聚焦于肝素（Heparin） 在骨组织工程中作为关键递送平台的综述。文章系统阐述了肝素通过亲和结合与保护骨形态发生蛋白（BMPs）等生长因子，克服临床现有疗法（如胶原海绵高剂量递送rhBMP-2）导致的爆释、异位成骨等问题。核心是综述了肝素-聚阳离子凝聚层、超分子纳米结构、水凝胶/支架及纳米/微球等多种生物材料平台的构建与应用，旨在实现生长因子的可控释放和局部滞留，以更安全、有效地促进骨缺损修复。
在骨缺损修复领域，临床现有的重组骨形态发生蛋白（rhBMP-2/7）疗法常因高剂量、胶原海绵载体的不可控爆释导致异位骨化、炎症等严重副作用。这促使研究者寻求更安全、高效的生长因子递送策略。天然存在的多糖肝素（Heparin）因其能与包括BMPs在内的300多种蛋白质通过静电和序列特异性基序结合，并保护其免于酶解、增强生物利用度、介导受体聚集，成为了构建亲和性生物材料系统的理想候选者。
肝素的分子特性与生物学功能
肝素是一种高度硫酸化的线性糖胺聚糖。其分子结构中的硫酸基和羧基与靶蛋白肝素结合域（富含赖氨酸、精氨酸等碱性氨基酸残基簇）产生强静电吸引，实现特异性、高亲和力的结合。在骨再生中，肝素不仅能稳定BMPs、血管内皮生长因子（VEGF）等促骨生成和血管生成因子，延长其半衰期，还能促进受体介导的信号传导。虽然其抗凝血活性是临床转化的顾虑，但将肝素整合入生物材料支架可实现局部释放，且已有非抗凝肝素衍生物（如ODSH）被开发，极大降低了系统性出血风险。
肝素-聚阳离子凝聚层持续释放系统
由聚（精氨酰天冬氨酸甘油二酯）（PEAD） 与肝素通过静电自组装形成的肝素-PEAD凝聚层，是生长因子控释领域的重要进展。该体系可高效封装肝素结合蛋白，实现持续释放，保护其生物活性。研究表明，该凝聚层可有效递送BMP-2、-4、-6、-7、-9等多种BMPs，在大鼠颅骨临界骨缺损模型中显著促进骨再生，且不诱发异位骨化或影响局部凝血。更有趣的是，研究揭示了BMPs的骨诱导效能与其肝素结合能力密切相关，通过分子工程为BMP-9引入BMP-2来源的肝素结合序列，可大幅提升其在体内的骨形成能力。此外，该平台还可用于VEGF与BMP-2、IGF1与TGFβ3等多种因子的协同递送，模拟天然愈合过程。在软骨修复中，肝素-PEAD凝聚层持续释放BMPs可促进微骨折介导的软骨下骨愈合，且不引发异位骨化。
肝素基超分子纳米结构
研究利用肝素或硫酸肝素（HS）结合BMP-2的能力，设计了可结合肝素的肽两亲物（HBPA）纳米纤维，形成超分子凝胶以实现BMP-2的长期释放。在胶原海绵中掺入仅1微克的BMP-2及此凝胶，植入大鼠长骨临界缺损后，显示出比无HS或PA纳米纤维组更高的骨桥接率和骨量。更进一步的超分子硫酸化糖肽纳米结构，其表面修饰的三硫酸化单糖可结合多种多糖结合域蛋白，在脊柱融合模型中，其骨再生效率比天然肝素更高，所需蛋白剂量降低100倍。研究表明，超分子纳米结构的纳米尺度内聚力可直接调节细胞内信号，弱内聚力的纳米结构与低浓度BMP-2结合，能通过增加膜脂筏流动性来增强SMAD信号通路激活。
肝素修饰的水凝胶与支架
肝素功能化的水凝胶和支架结合了结构支撑与亲和力结合生长因子的能力。聚乙二醇-肝素（PEG-Heparin）、纤维蛋白-肝素、透明质酸-肝素等水凝胶体系均展现出优于未修饰载体的BMP-2缓释性能和骨再生效果。例如，一种可注射的自修复羧甲基壳聚糖/聚乙二醇/硫酸肝素（CMCS/PEG/HS）水凝胶，能实现降解依赖的BMP-2释放，有效促进大鼠颅骨缺损修复。此外，多功能的肝素复合水凝胶，如结合了聚多巴胺/肝素纳米颗粒（BPDAH）的明胶/聚乙二醇二丙烯酸酯（GPEGD） 水凝胶，不仅可负载BMP-2，还具有清除活性氧（ROS）和增强硬度的功能。在支架方面，将肝素微颗粒嵌入胶原-羟基磷灰石支架中，可将BMP-2活性限制在缺损部位；而将肝素/聚乙烯亚胺（PEI）纳米凝胶负载BMP-2后固定于3D打印的磷酸钙（CaP） 陶瓷表面，能显著促进体内外成骨。这些研究证明了肝素能与多种水凝胶或支架结合，增强生长因子滞留和生物活性，局部递送多种功能因子而不影响系统止血。
肝素基微球与纳米粒子
肝素被整合到纳米颗粒和微球递送系统中，实现了对生长因子释放动力学的精确控制。肝素偶联的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA） 纳米球（HCPNs）可实现碱性成纤维细胞生长因子（bFGF/FGF-2）近零级持续释放超过三周，且无明显爆释，在缺血肢体模型中显著增加微血管密度。类似地，负载BMP-2的HCPNs能在体外诱导人骨髓间充质干细胞（BMMSCs）成骨分化，并在体内诱导更广泛的骨形成。其他系统如肝素/壳聚糖纳米颗粒固定化的脱细胞牛颈静脉支架、肝素功能化的透明质酸水凝胶微粒（HGPs）等，也都展现了优异的生长因子负载与控释能力。此外，由肝素微粒和海藻酸凝胶组成的可注射系统，可用于VEGF和BMP-2的双重递送，尽管在复合骨肌损伤模型中，VEGF与BMP-2的协同效应有限，但可调谐递送仍能部分恢复再生骨的力学性能。
临床相关性、挑战与未来展望
肝素基载体通过亲和介导的持续释放，可避免爆释，显著降低生长因子剂量，并改善其在缺损区域的局部化，从而减少异位骨化等副作用。这为从脊柱融合到节段性缺损、翻修关节成形术和骨质疏松性骨折等更广泛的适应症提供了可能。然而，在用于人体骨修复前，仍需进一步的大型动物研究和临床试验。
未来研究方向包括：开发保留生长因子亲和力但消除抗凝活性的更安全衍生物（如合成肝素模拟物）；设计模拟骨愈合时空序列的顺序或多因子递送系统，例如先释放VEGF促进血管生成，再释放BMP-2驱动骨形成；将肝素修饰支架与间充质干细胞（MSCs） 等细胞疗法结合，实现协同增效；在能更好模拟人类骨骼愈合的大型动物模型（如羊、山羊）中进行严格评估；以及解决药品生产质量管理规范（GMP） 级肝素衍生物合成、水凝胶/支架/纳米颗粒规模化制造等转化挑战。
总之，肝素基生物材料为骨再生提供了一类精确、持久且具有生物响应性的递送平台，通过实现多生长因子在生理水平的可控释放，并与细胞疗法整合，有望为骨组织工程带来安全、低剂量、患者特异性的再生解决方案。
