重塑大块骨缺损修复路径 | 武大口腔撒悦副教授联合团队在骨再生领域取得系列突破

重塑大块骨缺损修复路径 | 武大口腔撒悦副教授联合团队在骨再生领域取得系列突破

近日，武汉大学口腔医院撒悦副教授团队，联合武汉大学资源与环境科学学院邓红兵教授团队在结构与功能仿生重建大块骨缺损的研究方向上取得系列进展。研究成果分别以“时空耦合纳米纤维气凝胶用于径向增强的顺序血管化骨再生（Spatiotemporally coupled nanofiber aerogels for radially reinforced sequential vascularized bone regeneration） ”、 “具有仿生结构和骨传导能力的竹基生物质材料用于骨再生（Bamboo-based biomass materials with biomimetic structure and osteoconductive capability for bone regeneration） ”为题发表在国际知名期刊《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal，中国科学院1区 Top，5Y-IF：13.5）。



临界尺寸骨缺损常因血管化延迟、细胞迁移受限无法自发愈合，易引发骨骼畸形与功能障碍。目前利用生物工程支架诱导内源性骨再生是修复临界尺寸骨缺损的重要方向，而内源性骨再生的血管化成骨次序与向心性修复过程，需细胞外基质机械和生化信号的精准调控。当前多数研究仅单一维度调控空间结构或时序释药，高精度结构常限制复杂可控的序贯药物负载，而释药导向的复合体系又难以获得支架结构有序性，且现有支架结构多为水平、垂直取向，无法适配骨再生的向心模式，制约了整体修复效率。

针对此问题，研究团队创新性构建时空耦合纳米纤维气凝胶支架，融合静电纺丝与冷冻铸造技术，以壳聚糖为基质、丝素蛋白为纳米纤维组分，打造仿细胞外基质的径向纤维多孔结构；将碳酸锶纳米颗粒包封于丝素蛋白纳米纤维、二甲氧草酰甘氨酸（DMOG）负载于气凝胶基质。借助在支架内的空间分布差异，以及径向结构对物质扩散与降解的调控，实现了两种活性因子的序贯释放，最终形成物理结构与生化信号的耦合调控体系。

该支架兼具高孔隙率、高回弹性与超亲水性，为骨再生提供了较好的空间支撑。体外实验中，径向纤维孔道为细胞提供黏附位点与向心迁移引导，同时促使DMOG快速释放以及锶离子持续缓释，不仅实现了血管化骨再生的时序再生，还强化了内源性细胞的定向募集。大鼠临界尺寸颅骨缺损模型的体内实验显示，支架植入后缺损区实现向心修复，8 周时新骨几乎覆盖整个缺损，形成成熟血管结构，骨再生相关指标显著优于对照组；转录组分析也证实，支架通过激活 PI3K-Akt 等通路，实现了“血管-成骨”与“黏附-募集”调控下的修复再生。



总体而言，该研究通过空间径向引导-时序释药刺激的时空耦合策略，实现了血管化骨再生与向心修复的协同调控，打破了传统支架空间与时间调控的权衡困境。所构建的支架整合物理结构与生化信号，匹配血管化-成骨的时空需求，为临界尺寸骨缺损的内源性修复提供了高效的生物材料研发思路，也为后续时空耦合生物材料的研发和临床转化奠定了实验基础，应用潜力显著。

武汉大学口腔医院硕士生赵茗宇为本论文第一作者，武汉大学口腔医院撒悦副教授与武汉大学资源与环境科学学院邓红兵教授为本文共同通讯作者。



大尺寸骨缺损修复是临床的棘手挑战，传统自体/异体骨移植存在骨源短缺、疼痛明显及疾病传播风险，而人工合成支架常面临成本高、力学强度不足、多孔结构排列无序等问题，难以兼顾骨再生所需的机械支撑与多孔取向结构的要求，严重制约修复效果。

针对此问题，研究团队受天然骨与竹子的多级分层结构启发，创新性研发出竹基仿生骨修复支架，以竹子为原料打造绿色高效的骨修复材料。团队通过化学改性去除竹子中的木质素和细胞成分，完整保留其天然取向纤维结构与多尺度孔道分布；再通过层层自组装（LBL）技术，在支架表面及孔壁交替包覆壳聚糖与I型胶原蛋白，构建生物活性涂层，既不破坏原有结构，又赋予支架优异的骨传导与骨诱导能力，最终形成兼具高力学强度、分级多孔结构与生物活性的仿生体系。

体外实验中，支架的天然取向结构可有效引导成骨前体细胞定向黏附铺展，壳聚糖与胶原蛋白的协同作用显著上调成骨相关基因与蛋白表达，提升了细胞成骨分化效率；大鼠股骨缺损模型实验显示，植入后新骨沿支架纤维和孔道定向生长，8周时缺损区骨体积分数、骨小梁数量等指标显著优于对照组，同时促进血管新生，形成骨-血管协同再生效果，且对主要脏器无不良影响，生物安全性可靠。转录组分析证实，支架通过激活MAPK等核心通路，上调成骨与血管生成相关基因，从分子层面调控骨再生进程。



总体来看，该研究以竹子为天然原料，通过“化学纯化 - 生物功能化”的多维仿生策略，成功打造出高性能竹基生物质骨修复支架。该策略利用竹子天然结构与骨组织的相似性，实现了力学和结构的多重仿生，又通过层层自组装赋予优异生物活性，兼具绿色环保、成本低廉、操作简便的优势。这款支架打破了传统骨修复材料力学性能与多孔结构难以兼顾的困境，为大尺寸骨缺损修复提供了全新绿色方案，也为生物质材料在骨组织工程中的应用开辟新路径。

武汉大学口腔医院硕士生夏诗辞、赵茗宇为本论文共同第一作者，武汉大学口腔医院撒悦副教授与武汉大学资源与环境科学学院董向阳博士后为本文共同通讯作者。