核心速览
通讯作者及单位
-
Zhouming Deng：中国湖北省武汉市（430071），武汉大学中南医院脊柱外科与骨肿瘤外科 -
Lin Cai：中国湖北省武汉市（430071），武汉大学中南医院脊柱外科与骨肿瘤外科
核心数据与结果
核心材料与参数
-
复合水凝胶：GelMA / 海藻酸钠甲基丙烯酸酯（Alg-MA）混合水凝胶（GA），负载 BPPD 纳米复合材料（黑磷（BP）经聚多巴胺（PDA）修饰并负载去铁胺（DFO）），BPPD 浓度 0.5wt.%（GA/BPPDM 为最优组）； -
光热与释放特性：808nm 近红外（NIR）照射，功率 1W/cm²，局部温度达 41±1℃（温和光热）；NIR/pH 双响应释放，pH=6.5（损伤微环境）下 48h DFO 释放率 36%，NIR 辅助下提升至 84.7%，PO₄³⁻持续释放 28 天； -
实验条件：MC3T3-E1 成骨细胞、HUVEC 内皮细胞、RAW264.7 巨噬细胞，37℃、5% CO₂培养；SD 大鼠 5mm 临界尺寸颅骨缺损模型，n=3-6 / 组，术后 8 周评估。 关键性能结果
-
免疫调节：GA/BPPDM+NIR 组显著清除 ROS（DCFH-DA 荧光强度降低，p<0.01），诱导巨噬细胞 M1→M2 极化（CD206⁺细胞比例升高，iNOS⁺降低，n=3），激活 PI3K/Akt1 通路； -
血管生成：HUVEC 划痕愈合率 24h 接近 100%，管形成数量显著高于对照组（p<0.01），体内 CD31⁺新生血管密度提升 3 倍以上（n=3）； -
成骨分化：MC3T3-E1 细胞 ALP 活性第 14 天显著升高，矿化结节形成量增加（ARS 染色，p<0.01），Runx2、OCN 等成骨基因表达上调； -
体内骨再生：术后 8 周颅骨缺损愈合率达 50.01±3.04%（BV/TV），显著高于对照组（7.35±0.97%，n=3，p<0.01），新骨矿化密度（BMD）0.46±0.03g/cm³。 生物相容性
-
细胞存活率：100μg/mL 浓度下细胞存活率 > 90%（n=3）； -
体内安全性：大鼠主要器官无病理异常，水凝胶缓慢降解，与组织相容性良好。
研究背景
骨缺损修复需协同调控免疫微环境、血管再生和成骨分化，现有材料存在释放时序失控、炎症持续、血管化不足等问题。本研究开发 GA/BPPD 智能响应水凝胶，通过 BP 和 PDA 的光热转换性能，实现 NIR/pH 双响应释放 DFO（促血管生成）和 PO₄³⁻（促成骨），结合温和光热治疗（41±1℃），清除过量 ROS、诱导巨噬细胞 M2 极化，重塑再生微环境，同步促进血管生成与成骨分化，为大面积骨缺损修复提供新方案。
技术实验
一、GA/BPPD 水凝胶制备与表征
-
材料合成：BP 经超声剥离后修饰 PDA 并负载 DFO 得 BPPD（粒径≈16nm），与 GelMA/Alg-MA 混合，405nm UV 交联形成多孔水凝胶（孔径 150-300μm）（图 1）； -
通俗解释：“BP 是‘光热 + ROS 清除核心’，PDA 是‘缓释外衣 + 黏合剂’，DFO 是‘血管生成加速器’，三者结合让水凝胶既稳固又智能”。 -
力学性能：GA/BPPDM 压缩强度 45.1±3.1MPa，储能模量（G'）高于损耗模量（G''），具备良好弹性和结构稳定性（n=3）。
图 1 | BPPD 的制备示意图。（A）通过 BP 剥离、PDA 修饰和 DFO 负载制备 BPPD 的流程。
二、光热性能与药物释放
-
光热转换：808nm NIR 照射 5min，GA/BPPDM 温度升至 43.8±0.1℃，4 次循环后稳定性良好（图 3）； -
智能释放：pH=6.5（损伤微环境）下 DFO 释放速率高于 pH=7.4，NIR 照射进一步加速释放，PO₄³⁻持续释放 28 天，匹配骨修复时序（n=3）。
图 3 | GA/BPPD 水凝胶的光热性能与药物释放行为。（A）NIR 照射下的实时红外热成像图。
三、细胞相容性与免疫调节
-
细胞亲和性：MC3T3-E1 和 HUVEC 在水凝胶表面增殖良好，细胞铺展面积显著大于纯 GA 组（p<0.05，n=3）（图 4）； -
免疫重塑：GA/BPPDM+NIR 组显著降低 LPS 诱导的 ROS 生成（p<0.01），巨噬细胞呈现 M2 表型（细长形态），IL-10 等抗炎因子分泌升高，TNF-α 等促炎因子降低（n=3）（图 5）。
图 4 | 细胞在水凝胶上的增殖与黏附。（A）MC3T3-E1 细胞的 CCK-8 检测结果。
四、血管生成与成骨分化
-
血管诱导：HUVEC 划痕愈合率和管形成数量在 GA/BPPDM+NIR 组最优，VEGF、HIF-1α 基因表达上调（p<0.01，n=3）（图 6）； -
成骨促进：MC3T3-E1 细胞 ALP 活性第 14 天达峰值，矿化结节形成量显著增加，Runx2、OCN 等成骨标志物蛋白表达升高（n=3）（图 7）。
图 6 | 水凝胶对 HUVEC 血管生成的影响。（A）HUVEC 血管分化的示意图。
五、体内骨再生验证
-
免疫微环境优化：术后 7 天，GA/BPPDM+NIR 组 iNOS⁺（M1）巨噬细胞减少，Arg-1⁺（M2）增多，IL-10 表达升高（p<0.01，n=3）（图 9）； -
血管与骨修复：术后 2 周 CD31⁺新生血管和 CD90⁺干细胞招募量显著增加；8 周时颅骨缺损区新骨形成完整，BV/TV、BMD 等参数最优（n=3，p<0.01）（图 11）。
图 11 | 大鼠颅骨缺损修复的微 CT 分析。（B）术后 4 周和 8 周缺损部位的 2D 和 3D 重建图像。
结论与展望
本研究开发的 GA/BPPD 智能响应水凝胶，通过 NIR/pH 双响应释放 DFO 和 PO₄³⁻，结合温和光热治疗，实现 “免疫调节 - 血管生成 - 成骨分化” 的协同调控。体内外实验证实，该水凝胶可有效清除 ROS、诱导巨噬细胞 M2 极化、促进血管再生和骨缺损愈合，生物相容性良好。
未来可进一步优化水凝胶的降解速率与释放时序，拓展至承重骨缺损修复，或结合干细胞疗法提升修复效果，为临床骨缺损治疗提供新型智能生物材料。
原文链接
-
期刊名：先进科学（Advanced Science） -
卷期：Volume 11, 2024, Article Number 2304641 -
DOI：10.1002/advs.202304641 -
英文标题：Smart‐Responsive Multifunctional Therapeutic System for Improved Regenerative Microenvironment and Accelerated Bone Regeneration via Mild Photothermal Therapy
关注我们：
