多尺度仿生融合阿仑膦酸钠铈离子水凝胶支架通过Wnt/钙离子通路促进骨质疏松性骨缺损修复

　　本研究针对骨质疏松性骨缺损治疗中骨吸收大于骨形成、血管生成不足及炎症微环境等难题，开发了集成3D打印TCP支架、胶原-甲基丙烯酸酯(COMA)水凝胶和阿仑膦酸钠铈离子纳米颗粒(ACNP)的多尺度仿生支架。研究发现TCP-H-ACNP支架通过激活Wnt信号通路直接促进骨质疏松BMSCs成骨分化，并通过调控Ca2+转运改善线粒体功能间接增强骨再生，同时显著提升HUVECs血管生成能力。动物实验证实该支架可同步促进骨缺损区血管化和新骨形成，为骨质疏松性骨缺损提供了兼具力学支撑与生物活性的新型治疗策略。

　　

骨质疏松性骨缺损的治疗一直是骨科领域的重大挑战。随着人口老龄化加剧，这类疾病的发病率持续攀升，其高致残率和高死亡率给社会带来沉重负担。传统治疗方法面临三重困境：骨质疏松微环境中骨破坏大于骨形成、局部血管化不足、以及过度的炎症反应。更棘手的是，临床常用药物如阿仑膦酸钠(Aln)虽能抑制破骨细胞，但无法靶向骨缺损部位，且改善血供能力有限。如何构建兼具力学支撑和生物活性的骨修复材料，成为突破治疗瓶颈的关键。

苏州大学附属第一医院骨科团队在《Journal of Orthopaedic Translation》发表创新研究，通过多学科交叉策略开发了一种革命性的骨修复支架。研究人员巧妙融合了三种尺度材料：毫米级的3D打印磷酸三钙(TCP)支架提供力学支撑，微米级的胶原-甲基丙烯酸酯(COMA)水凝胶模拟细胞外基质，纳米级的阿仑膦酸钠铈离子(ACNP)颗粒赋予生物活性。这种TCP-H-ACNP支架不仅解决了传统材料在力学性能和生物功能上的矛盾，更通过"时空协同"机制实现阶段性治疗——前期铈离子改善微环境促进成骨/血管化，后期阿仑膦酸钠持续抗骨质疏松。

关键技术方法包括：通过涡旋振荡法制备ACNP纳米颗粒；光交联技术构建COMA水凝胶；3D打印制备多孔TCP支架；建立OVX诱导的骨质疏松大鼠股骨缺损模型；采用Micro-CT、组织染色和免疫组化评估骨再生效果；通过转录组测序和分子生物学实验解析作用机制。

【3.1 纳米颗粒特性与生物相容性】

研究首先成功制备出粒径2.5-4.5 nm的ACNP，zeta电位达57 mV，稳定性显著优于单一成分。体外实验确定20 μg/mL为最佳工作浓度，该剂量下BMSCs存活率>90%，且无增殖抑制。

【3.2 增强骨质疏松BMSCs成骨分化】

与单纯铈离子或阿仑膦酸钠相比，ACNP使骨质疏松BMSCs的ALP活性提升97%，钙结节形成增加78%。Western blot显示COL I和RUNX2蛋白表达分别提升130%和150%，证实协同增效作用。

【3.3 促进血管生成】

划痕实验显示ACNP处理24小时后HUVECs迁移率提升50%，血管形成实验显示分支点数量翻倍。值得注意的是，血管生成促进主要来自铈离子组分。

【3.4 改善骨质疏松小鼠骨丢失】

Micro-CT显示ACNP注射组骨体积分数(BV/TV)较OVX组显著提高，Masson染色证实胶原沉积增加3倍，COL I免疫组化评分提升2.5倍。

【3.5 支架制备与性能表征】

3D打印的TCP支架压缩强度达8.68 MPa，满足松质骨要求。COMA水凝胶填充后，支架矿化能力显著增强，钙/磷沉积量分别提升3.5倍和5倍。铈离子缓释实验显示2周达稳定释放。

【3.6 支架的体外成骨效应】

支架浸提液培养的骨质疏松BMSCs中，TCP-H-ACNP组ALP活性较对照组提升97%，OCN免疫荧光强度增加2倍，RUNX2蛋白表达达峰值。

【3.7 作用机制解析】

转录组分析揭示TCP-H-ACNP通过双重机制发挥作用：一方面上调Wnt4/5a/10b激活经典Wnt通路直接促进成骨；另一方面通过增强Adcyap1r1和Atp2a3表达改善Ca²⁺转运，进而提升线粒体功能(Fis-1/Drp-1上调)和抗氧化能力(Nrf-2/SOD-2激活)。

【3.8 体内骨缺损修复】

植入8周后，TCP-H-ACNP组新生骨量较空白组增加3倍，CD31阳性血管密度提升2倍，证实其同步促进血管化和骨再生的能力。

讨论部分强调，该研究首次实现三种关键突破：创新性地将抗骨质疏松药物与促再生离子整合为纳米复合物；建立多尺度仿生结构模拟天然骨组织；阐明Wnt/Ca²⁺双通路协同机制。相比传统β-TCP材料，该支架在骨体积分数和血管密度等指标上具有显著优势，特别是解决了骨质疏松环境下"血管-成骨耦联"障碍这一核心难题。

未来研究需在大型动物模型中验证力学性能，并优化3D打印工艺以实现临床转化。该成果为开发"功能模块化"骨修复材料提供新范式，不仅适用于骨质疏松性缺损，对创伤性骨不连、骨肿瘤切除后重建等复杂情形也具有重要参考价值。