多尺度仿生融合构建铈离子水凝胶支架促进骨质疏松性骨缺损修复的研究

　　针对骨质疏松性骨缺损修复中成骨-血管生成耦合功能下降及过度炎症反应等难题，本研究开发了TCP-H-ACNP多尺度仿生水凝胶支架。该支架通过激活Wnt信号通路直接促进BMSCs成骨分化，并通过调节Ca2+转运改善线粒体功能间接增强成骨能力，显著改善局部血管生成和骨再生，为骨质疏松性骨缺损治疗提供了新策略。

　　

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，骨质疏松相关骨缺损的发病率持续攀升，其特点是高致残率、高死亡率以及沉重的经济负担。在骨质疏松微环境中，骨吸收大于骨形成，阻碍了骨缺损区的自我修复；同时，缺损区成骨-血管生成耦合功能下降以及过度炎症反应进一步增加了治疗难度。传统药物如阿仑膦酸钠(Alendronate sodium, Aln)虽能抑制破骨细胞再生，但存在无法在缺损区有效滞留、改善血供和炎症微环境效果有限等问题。

针对这些挑战，苏州大学附属第一医院骨科团队在《Journal of Orthopaedic Translation》发表了一项创新研究，通过多尺度仿生融合策略构建了铈离子水凝胶支架（TCP-H-ACNP），为骨质疏松性骨缺损修复提供了综合解决方案。该研究有机整合了三维打印磷酸三钙(TCP)支架提供机械支撑、胶原-甲基丙烯酸酯(COMA)水凝胶模拟细胞外基质、以及阿仑膦酸钠铈离子纳米颗粒(ACNP)赋予生物活性，形成了毫米-微米-纳米多级结构仿生系统。

研究采用的主要技术方法包括：通过涡旋振荡制备ACNP纳米颗粒并表征其理化性质；利用光交联技术制备COMA水凝胶并评估其流变学特性；通过3D打印技术构建TCP支架并复合形成TCP-H-ACNP复合支架；采用骨质疏松大鼠骨髓间充质干细胞(OVX-BMSCs)和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)进行体外功能验证；建立OVX诱导的大鼠股骨远端骨缺损模型进行体内疗效评估；运用转录组测序、Western Blot、免疫荧光等技术深入探讨分子机制。

3.1. 纳米颗粒表征与生物相容性评估

研究人员通过涡旋振荡成功制备了ACNP纳米颗粒，透射电镜显示颗粒尺寸主要分布在2.5-4.5纳米，zeta电位为57mV，表现出良好的稳定性。体外安全性测试确定20μg/mL为最佳工作浓度，该浓度下对BMSCs无毒性且不影响细胞增殖。

3.2. 纳米颗粒增强骨质疏松BMSCs的成骨分化

体外实验表明，ACNP处理能显著提高骨质疏松BMSCs的碱性磷酸酶(ALP)活性和矿化结节形成，分别比单独使用铈离子或阿仑膦酸钠提高20%和16.7-20.0%。Western Blot和免疫荧光结果显示，ACNP能有效上调COL I和RUNX2蛋白表达，恢复骨质疏松BMSCs的成骨分化能力。

3.3. 纳米颗粒促进HUVECs的血管生成

细胞划痕实验和成管实验证实，ACNP处理能显著促进HUVECs的迁移和血管网络形成，24小时划痕愈合率提高50%，成管能力相关参数（网格数、主段数、连接点）显著增加。这种促血管生成作用主要归功于铈离子成分。

3.4. ACNP纳米颗粒腹腔注射改善骨质疏松小鼠骨丢失

体内实验显示，每周腹腔注射ACNP能有效缓解OVX诱导的骨质疏松小鼠股骨远端骨丢失。Micro-CT分析表明，ACNP处理组骨体积分数(BV/TV)和骨小梁厚度(Tb.Th)显著增加，骨小梁间距(Tb.Sp)明显减小。组织学染色进一步证实ACNP能增强胶原沉积和新骨形成。

3.5. 多尺度释放融合TCP-H-ACNP水凝胶支架的制备与表征

研究人员成功构建了TCP-H-ACNP多尺度仿生支架，该支架保持了良好的凝胶时间和力学性能，扫描电镜显示支架孔隙被水凝胶充分填充。体外矿化实验表明TCP-H-ACNP组具有更强的矿化能力，钙磷沉积比分别提高3.5倍和5倍。力学测试显示复合支架压缩承载能力达61.33±2.86N（约8.683±0.413MPa），满足松质骨替代材料要求。

3.6. 支架促进骨质疏松BMSCs的成骨分化

支架浸提液培养实验证实，TCP-H-ACNP能显著促进骨质疏松BMSCs的ALP分泌（提高97%）和矿化结节形成（增加78%）。细胞免疫荧光显示OCN和COL I表达显著上调，Western Blot表明COL I和RUNX2蛋白表达明显增加。

3.7. TCP-H-ACNP支架通过重塑细胞外基质成分和影响钙离子转运调控成骨分化

转录组测序分析发现，TCP-H-ACNP处理组有265个基因上调和156个基因下调。GO富集分析显示细胞外基质组织和钙离子转运相关生物过程显著上调。KEGG分析表明钙离子相关信号通路表达差异显著。RT-qPCR验证发现细胞外基质成分相关基因(Hmgcs2、Nags、Otc、Pdk4)和钙离子转运相关基因(Adcyap1r1、Atp2a3、Cacna1h、Kcnn4)均显著上调。同时，线粒体功能相关基因(Fis-1、Drp-1、Pgc-1α)表达改善，抗氧化功能增强，ROS水平显著降低。

3.8. TCP-H-ACNP水凝胶支架植入改善大鼠股骨缺损局部血供并促进骨再生

体内治疗实验显示，TCP-H-ACNP支架能显著促进骨质疏松大鼠股骨缺损区的骨再生。Micro-CT显示植入4周和8周后，骨密度(BMD)、骨小梁数量(Tb.N)和骨体积分数(BV/TV)均显著改善。H&E和Masson染色表明TCP-H-ACNP组新骨形成明显增加。免疫组化显示缺损区COL I和RUNX2表达显著上调，血管生成相关蛋白VEGF和CD31表达增强，表明局部血供改善。重要器官H&E染色显示该浓度铈离子在体内无显著生物毒性。

研究结论表明，TCP-H-ACNP支架通过多机制协同作用促进骨质疏松性骨缺损修复：一方面通过激活Wnt/β-catenin信号通路上调RUNX2、Osterix等核心转录因子，直接促进成骨分化；另一方面通过增强钙离子转运改善线粒体功能，提高细胞抗氧化能力，间接增强成骨潜力。同时，铈离子成分还能促进血管生成，改善局部血供。这种多层次、多尺度的设计理念为骨质疏松性骨缺损治疗提供了新思路，具有重要的临床转化价值。

该研究的创新性在于首次将阿仑膦酸钠与铈离子通过配位结合形成纳米颗粒，并巧妙整合到多尺度仿生支架中，实现了药物控释、机械支撑和微环境调控的有机统一。相比传统单一材料，TCP-H-ACNP支架在成骨活性、血管生成能力和抗氧化应激方面表现出显著优势，为开发下一代骨缺损修复材料提供了重要参考。