作者：山东大学     崔晋铨

骨缺损是临床常见的疾病之一，由感染、肿瘤、创伤、翻修手术、先天性骨骼畸形以及退行性变等多种因素引起。较大的骨缺损会导致病理性骨折、骨折不愈合或愈合不良，严重影响患者的预后，并给患者带来巨大的生活和精神压力。目前，临床上常用于治疗骨缺损的方法是移植物填充，其中自体骨移植和异体骨移植最为常见。然而，由于自体骨供体有限，并且容易在供区出现感染并导致愈合效果不佳，因此越来越多的生物材料被研发并应用于骨缺损的治疗。这些材料包括水凝胶支架、金属支架、生物高分子支架等，均具有良好的生物相容性、可降解性，并能够诱导BMSCs向成骨细胞分化。上述生物材料可以通过在支架表面进行改性，从而赋予其多种不同功能，进一步增强其成骨效果。

免疫成骨

随着骨免疫学的发展，越来越多的研究表明，成骨过程是一个复杂的生物学过程，而巨噬细胞在这一过程中发挥着不可或缺的作用。巨噬细胞可分为促炎型（M1）和抗炎型（M2）两种亚型，在骨修复的早期阶段，巨噬细胞首先分化为M1型，介导早期的炎症反应，随着修复过程的推进，M2型巨噬细胞逐渐发挥主导作用，分泌促进组织修复的信号分子，如白介素-10（IL-10）、l转化生长因子-β（TGF-β）、骨形态蛋白-2（BMP-2）以及血管内皮生长因子（VEGF）等。这些分子有助于募集BMSCs、促进血管生成，并诱导BMSCs向成骨方向分化，从而加速骨修复过程。许多研究证明，可以通过生物材料调控M1型巨噬细胞向M2型巨噬细胞转化。Huang等利用3D打印技术制备了表面修饰Ti3C2Tx的MXene纳米片陶瓷支架，该支架具备优异的活性氧清除能力。在植入后，通过808nm近红外激光（NIR）照射支架，能够在其周围产生温和的局部光热效应（温度约42°C±1°C）。这一过程实现了巨噬细胞从M1型向M2型的转化，进而促进了骨组织的再生。

在骨修复过程中，M1型巨噬细胞的持续激活可能导致其无法完全转化为M2型，从而影响伤口愈合。为此，Luo等采用聚乳酸-羟基乙酸共聚物作为基质材料，构建了锶掺杂的生物玻璃复合支架。该支架实现了干扰素（IFN-γ）和锶离子的顺序释放，进而调控巨噬细胞由M1型向M2型转化。通过在特定时间点实现M1型巨噬细胞到M2型巨噬细胞的转化，有助于促进伤口愈合和组织再生。研究发现，许多去细胞化材料也能显著影响巨噬细胞的极化。Tan等将小肠黏膜下层（SIS）掺入含BMP-2的水凝胶中，SIS中的高含量RGD序列能够招募巨噬细胞，并通过上调CD206、Arg-1、IL-10、TGF-β和IGF-1等基因的表达，促使巨噬细胞在微环境中向M2型转化。进一步研究表明，这种转化显著增强了与骨源性分化相关基因的表达，如Osx（os⁃terix）、骨保护素（OPG）和RUNX2等，从而促进骨缺损的修复。Li等在钛板表面构建了核壳结构的纳米棒阵列，以羟基磷灰石为核，自组装聚多巴胺（PDA）为外壳。PDA外壳因其优异的活性氧清除与良好的光热转化能力，两者发挥协同作用，促进M1型巨噬细胞向M2型转化。通过转录组分析发现，周期性808nm近红外光激光辐射下激活了PI3K-AKT1信号通路，加速了M1向M2的转变，进而促进了BMSC的成骨分化和细胞外基质的矿化。

光热成骨

研究表明，光热成骨（PTT）（42.0±1.0）℃能够有效促进骨组织再生。该疗法通过上调热休克蛋白（HSPs）、碱性磷酸酶（ALP）及其他成骨相关基因的表达，促进BMSCs向成骨细胞分化，从而加速骨修复。Wei等受PTT启发，将PDA包裹的ZIF-8与掺杂Pht的复合物负载进由透明质酸和羧甲基壳聚糖聚合而成的水凝胶中，并在808nm近红外光激光周期性照射下实现了Pht和Zn2+的智能按需释放与高效运输，同时发挥了光热杀菌能力。研究发现，在近红外光照射下，BMP-2、SMAD1/5/8、pSMAD1/5/8和RUNX2基因的表达显著增加，并激活了BMP/SMAD信号通路，从而促进了小梁骨与皮质骨的再生，最终实现了骨重建。Yao等发现手术治疗过程中骨肿瘤切除不完全的问题，构建了一个双离子掺杂的有机-无机复合可注射水凝胶系统。该系统由接枝肼键、氧化硫酸软骨素、Se和Mg共掺杂的羟基磷灰石纳米棒以及PDA涂层的CaO2纳米球组成，并与半乳素蛋白接枝。系统结合了光热效应与SeO32-的化疗作用，展现出强烈的抗肿瘤活性与成骨特性。在水凝胶系统内，无机纳米颗粒降解并释放Ca2+、Mg2+和PO43-，能够激活Wnt信号通路，显著增加β-catenin及其下游基因（LEF1、DKK1）的表达。这一变化促进了BMSCs向成骨细胞的分化，进而加速了成骨过程。细菌感染引起的骨缺损是临床常见的缺损类型之一，细菌定植可能导致骨折不愈合或愈合不良。为解决这一问题，Zhang等设计了一种温控杀菌且高效促进骨再生的多功能纳米纤维支架。该支架将万古霉素负载到一种在39℃以上可发生固相到液相转变的相变材料中，并在聚已酸内酯和黑磷纳米片（BPNSs）为基础的支架表面修饰了Apt19S。Apt19S是一种能够特异性结合多潜能干细胞包括BMSCs的DNA适配体，能有效招募BMSCs。通过近红外照射实现了万古霉素的可控释放，而光热效应促进HSPs的上调和BPNSs的快速生物降解，进一步促进BM⁃SCs的成骨分化和生物矿化。在大鼠颅骨缺损模型中，该系统表现出卓越的抗菌效果和骨再生能力。

压电成骨

生物电经研究发现在生物体骨修复中起着至关重要的作用，影响着骨骼的新陈代谢和重塑。许多生物电活性压电材料已被研发用于促进骨再生，并在组织工程骨修复中发挥了重要作用。理想的压电材料应具备良好的骨传导性、骨诱导性和骨整合性，同时具有优异的生物相容性、与骨组织相匹配的机械强度以及易于容纳细胞的三维结构等特性。Liu等采用静电纺丝法制备了具有三维结构的TiO2@PVDF压电复合纤维膜，用于调控BMSCs的成骨分化。TiO2纳米粒子的掺入使得复合纤维膜具有较高的压电响应性，并显著上调了成骨细胞骨桥蛋白（OPN）和骨钙蛋白（OCN）基因的表达。此外，压电纤维膜的高表面电位和聚偏氟乙烯（PVDF）形成的独特空间结构不仅促进了细胞在异质电微环境中的生长，还促使细胞内离子的重新分配，从而加速了细胞的成骨分化过程。压电生物材料还可以响应外界施加的应力、远程产生的超声刺激或振动，因此Cui等在聚L-乳酸纤维表面修饰羟基磷灰石，并使用PDA作为羟基磷灰石与聚L-乳酸之间的桥接层，同时通过超声波促进PDA的修饰。这一方法不仅保留了支架的三维结构，还大大缩短了修饰时间，同时更好地保留了聚L-乳酸的压电性。改性后的支架通过PI3K-Akt信号通路增加了细胞膜上电压门控Ca2+通道的开放，从而加速细胞内Ca2+的内流，进一步促进成骨分化。Kali⁃annagounder等首次在白磷钙石中唤起了压电特性。通过研究发现，经过750℃退火处理的磷钙矿纳米颗粒（WHNPs）表现出优异的压电特性，并能够在低强度脉冲超声（LIPUS）刺激下产生电信号。在成骨诱导过程中，WHNPs（PWH-750）显著增加了ALP活性、钙矿化程度以及成骨基因的表达。但是压电复合支架合成的过程中会出现支架没有足够机械性能和压电系数的问题，Chen等通过将ZnO颗粒分散到聚羟基丁酸酯纳米纤维中，研究人员显著提高了支架的机械强度和产生局部电场的能力。此外，该支架结构类似于细胞外基质，能够有效地招募BMSCs。选择超声刺激作为远程激发手段，激活压电支架，在支架微环境中产生具有可控电刺激强度和持续时间的电信号，激活了NFAT信号通路，进而加速了成骨分化。

生物活性因子

随着组织工程支架在骨缺损修复中的应用日益增多，将细胞和多肽加载到支架中的研究也逐渐增多，并展现出巨大的优势和潜力。干细胞因其优异的组织修复和再生能力、免疫调节作用、抗炎特性以及促进血管生成的能力，广泛应用于各类支架中。除了干细胞外，富血小板血浆（PRP）、胞外囊泡（EVs）、表皮生长因子（EGF）和生物多肽等也被积极加载到支架中，以进一步增强其修复效果。干细胞疗法目前已经被确认具有良好的成骨效果，Yu等［26］设计了一种为骨再生提供理想微环境的3D打印生物墨水，打印出的支架不仅具有良好的力学性能，还具备优异的理化特性。该支架采用甲基丙烯酸缩水甘油酯修饰的ε-聚-L-赖氨酸，形成网状多孔结构，为牙周韧带干细胞（PDLSCs）的增殖、迁移以及营养物质和代谢物的运输提供了基本支持。研究发现，负载干细胞的支架在成骨效果上相较于单纯使用骨粉具有显著优势。特别是负载间充质干细胞来源小囊泡的支架通过CD73/CD39/腺苷信号通路抑制T细胞增殖，同时增强了PDLSCs的矿化能力。将该支架植入牙周骨缺损模型中后，表现出了良好的骨再生效果。

骨髓间充质干细胞衍生的外来体（BMSCsExo）内含有多种生长因子能够促进组织修复、成骨细胞基质矿化和钙沉积。骨缺损和伴随肌肉损伤的治疗仍然是临床中非常棘手的问题，由于骨与软组织之间细胞类型和组织结构的巨大差异，使得骨缺损和相关肌肉损伤难以实现同步治疗，为此Jin等根据骨和肌肉不同的纤维走向通过静电纺丝制备了具有不对称结构的双层聚己内酯纳米纤维支架，该支架具有良好的机械性能和降解性，上层为适应肌纤维的生长以及排列，设置为定向聚己内酯纤维，促进纤维细胞的成肌、肌管的形成，引导肌肉再生。下层是随机聚己内酯纤维，促进成骨分化和骨再生。双层电纺支架的非对称结构能够分别调控成肌细胞和成骨细胞的行为，从而促进骨缺损和肌肉组织损伤的联合修复。在该支架中，BMSCs-Exo被固定在支架表面，起到了介导细胞间通讯和免疫调节的作用，显著增强了骨骼与肌肉损伤的修复效果。在体外实验中，与不含外泌体的支架相比，C2C12细胞在BMSCs-Exo修饰的支架上表现出肌生成相关基因的显著上调，包括早期标志基因Myf5、中期基因Myogenin以及成熟期基因Desmin和Myosin，极大促进了成肌分化。通过碱性磷酸酶（ALP）、茜素红（SARS）、蛋白质印迹（WB）以及聚合酶链反应（PCR）分析结果显示，相比于不含外泌体的支架，修饰外泌体的支架显著增强了成骨效应，通过上调Runx2和COL-1（collagen1）基因的表达，促进了成骨细胞的分化。

生物多肽负载到支架中进行骨缺损修复的研究也有广泛的应用前景，例如BMP2、VEGF、PRP等。但是负载时会出现失去活性、释放不规律等引起效果不理想的情况，BMP负载时存在初始爆发过快和爆发过度现象，导致其利用率低下，在临床应用中可能会导致严重的并发症，例如软组织血肿形成、椎管内异位骨生成以及植入载体周围的骨吸收，未解决这一问题，Ao等从血凝块中得到启发，将纤连蛋白和肝素掺入纤维蛋白胶基质中来减少BMP2的初始爆发，并且纤维蛋白胶可以充当组织修复细胞浸润的临时支架，纤连蛋白为细胞提供粘附位点并充当纤维蛋白胶和肝素之间的连接器，肝素充当细胞修复细胞的储存池，能够控制BMP2的释放并防止BMP2被体内蛋白酶降解，通过PCR发现在应用了该递送系统的成骨细胞内COL-1、Runx2、OPN、OCN等基因表达上调，并且将支架置入动物体内后发现支架组骨缺损修复效果远好于对照组，对照组由于骨缺损处没有支架和BMP2，缺损处被大量结缔组织侵入，成骨效果最差。Chen等利用微流控技术制备了负载VEGF的PDA，并将其涂覆于含有锶离子的海藻酸盐水凝胶上。该水凝胶具有长达42d的释放周期，能够有效促进成骨分化并增强骨诱导性。负载的VEGF能够迅速激活损伤部位血管内皮细胞的功能，促进骨缺损区域的早期血管生成，为成骨提供必要的营养支持。同时，释放的锶离子通过上调成骨相关基因Runx2、OPN，促进了成骨细胞的分化。该水凝胶支架不仅实现了骨重建，还促进了早期血管分化，为骨缺损修复提供了及时且有效的营养支持。

小结

与传统的自体骨移植或异体骨移植相比，复合功能支架材料具有不同大小的孔隙结构，能够为间充质干细胞提供更适宜的生长微环境，同时有效供给营养物质。支架中的金属离子、生物活性肽和生长因子等可通过上调OPN、OCN、RUNX2、COL-1等成骨相关基因，促进成骨细胞分化，从而促进骨修复。然而，多孔结构可能导致支架的机械强度降低。通过改变掺杂材料进行表面改性，并利用3D打印技术提高支架的机械强度，可以有效平衡其机械性能与细胞生长所需的理想微环境。目前，复合功能支架已广泛应用于感染性骨缺损、骨肿瘤性骨缺损、骨关节炎、股骨头坏死等生物模型。未来，通过优化制备工艺和调整材料类型，有望进一步提升复合功能支架的性能和种类，加速其在临床中的转化应用。

来源：中国矫形外科杂志2025年5月第33卷第9期

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