多功能骨粘合剂：兼具强效粘附、抗菌、促血管生成和成骨活性以促进颅骨再生

《Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre》：Robust adhesive, antibacterial, pro-angiogenic and osteogenic bone adhesives with moderate degradability facilitating bone regeneration

本研究针对传统骨修复技术存在的免疫排斥、供体有限、需二次手术及材料疲劳等问题，开发了一种由聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯(PEG-SG)、单宁酸(TA)、氧化铜(CuO)、生物活性玻璃(BG)和明胶(Gel)组成的新型多功能骨粘合剂。该粘合剂具备快速强力粘附(~100 kPa/60秒)、高效广谱抗菌(对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和MRSA抗菌率~80%)、优异的生物相容性、促血管生成和成骨分化能力。在大鼠颅骨缺损模型中，其表现显著优于商用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥，能显著提高骨体积分数(BV/TV)和骨矿物密度，并通过激活PI3K-Akt和钙信号通路促进骨再生。该研究为颅骨修复及再生医学提供了创新策略。

　　

当遭遇严重的颅骨损伤或需要进行骨移植手术时，医生们常常面临一个棘手的难题：传统的修复方法，比如使用金属植入物或从患者自身其他部位取骨进行移植，虽然能解决一部分问题，但却伴随着不少烦恼。免疫排斥反应可能让身体“拒绝”外来物，自体骨来源有限且会造成新的创伤，有些材料（如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA骨水泥）在凝固时甚至会产热，可能损伤周围组织。更重要的是，术后感染风险、材料无法随着新骨生长而降解、以及缺乏主动促进骨骼自身修复的能力，这些都限制了患者的康复效果。有没有一种材料，能像“智能生物胶水”一样，不仅能快速、牢固地粘合骨碎片或固定骨移植物，还能主动抵抗细菌入侵，并创造一个有利于血管生长和新骨形成的微环境，最终在完成任务后“功成身退”被人体安全降解呢？这正是生物材料研究领域一个备受关注的方向。

为了回答这些问题，来自中国人民解放军总医院第四医学中心骨科的研究团队在《Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre》上发表了一项创新研究。他们巧妙地将几种功能各异的生物材料组合在一起，研制出一种名为PEG-SG/TA/CuO/BG/Gel的多功能骨粘合剂。这种粘合剂的核心成分包括聚乙二醇琥珀酰亚胺戊二酸酯(PEG-SG)，它能够形成互连的多孔基质，提供结构支撑；单宁酸(TA)作为一种多酚类交联剂，不仅增强了粘合剂的机械强度和界面粘附力，还赋予了其抗菌和抗氧化特性；添加的微量氧化铜(CuO)和生物活性玻璃(BG)则扮演了“生物活性因子仓库”的角色，在材料降解过程中持续释放出铜离子(Cu²⁺)和钙离子(Ca²⁺)，这些离子被证明可以有效地促进血管生成和骨骼形成；而明胶(Gel)的加入则进一步改善了材料的生物相容性和细胞亲和性。

研究人员为验证该骨粘合剂的综合性能，运用了多项关键技术方法。他们通过扫描电子显微镜(SEM)和元素映射分析了材料的微观结构和成分分布；采用流变学测试评估其固化前后的力学性能（储能模量和损耗模量）；通过体外降解实验和电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)系统研究了材料的降解行为及Cu²⁺、Ca²⁺的释放动力学；利用万能试验机定量测定了其对骨组织、猪皮等多种生物组织的粘附强度（包括剪切粘附强度和剥离力）。生物学评价方面，进行了标准的体外细胞毒性试验（MTT法、活/死细胞染色）、溶血试验、抗菌试验（针对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA，包括菌落形成单位计数和生物膜抑制评估）、体外血管生成实验（人脐静脉内皮细胞HUVECs的管形成实验）和成骨分化实验（对大鼠骨髓间充质干细胞BMSCs进行碱性磷酸酶ALP染色、茜素红S染色ARS，并通过ELISA和实时定量聚合酶链反应RT-qPCR检测成骨标志物如I型胶原Col-I、骨钙素OCN及相关基因表达）。最终的体内验证则在大鼠颅骨临界尺寸缺损模型（动物实验经依生源基因技术（天津）有限公司机构动物护理和使用委员会批准，协议号YSY-DWLL-2024127）中进行，通过微型电子计算机断层扫描(Micro-CT)三维重建、组织学染色（苏木精-伊红H&E、Masson三色染色）和免疫荧光染色（检测CD31、TNF-α、CD163、Col-I、OCN）评估骨再生效果，并通过对愈合组织的转录组测序（RNA测序）进行KEGG通路富集分析，以探索潜在的分子机制。

3.1. 骨粘合剂的制备

研究人员成功制备了PEG-SG/TA/CuO/BG/Gel骨粘合剂。扫描电镜和元素映射分析确认了CuO和BG的成功掺入，显示了清晰的铜和钙元素信号。该材料具备可降解性，在28天的降解实验中，PEG-SG/TA/CuO/BG/Gel复合物保留了42.59±2.67%的初始质量，降解产物未引起显著pH变化。降解后材料形态发生明显改变，出现碎片化和孔洞增大。离子释放研究表明，Cu²⁺和Ca²⁺的释放是持续且渐进的，28天时释放浓度分别达到2.36±0.12 ppm和10.01±0.16 ppm，处于生物相容且能发挥生物活性的安全浓度范围内。此外，得益于TA和明胶中的活性成分，该骨粘合剂表现出强大的DPPH自由基清除能力（89.16±1.51%），这有助于减轻组织修复过程中的氧化应激。

3.2. 骨粘合剂的组织粘附性

粘附性能测试显示，该骨粘合剂具有快速且强大的组织粘附能力。在与骨组织接触120秒后，其粘附强度可达210.45±20.41 kPa。在临床相关的60秒接触时间内，粘附强度约为100 kPa。此外，它对猪皮也表现出良好的粘附性（粘附强度112.59±38.40 kPa，剪切粘附强度104.10±15.26 kPa，剥离力259.54±52.02 N/m）。该粘合剂还能有效粘附于承重骨（如股骨）、肌肉、肝脏、心脏和肺等多种组织，展示了其广泛的应用潜力。

3.3. 骨粘合剂的抗菌性能

抗菌实验结果表明，PEG-SG/TA/CuO/BG/Gel骨粘合剂对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和MRSA均具有显著的抗菌效果，抗菌效率分别达到83.06%、94.07%和93.53%。同时，它对细菌生物膜的形成也有明显的抑制作用（抑制率在74.45%至81.27%之间）。活/死细菌荧光染色和扫描电镜观察直观地证实了该材料能有效杀死细菌并破坏其形态。这种广谱抗菌活性主要归因于TA的多种抗菌机制（如破坏细胞膜）以及CuO的抗菌作用。

3.4. 骨粘合剂的细胞相容性

生物相容性评价显示，该骨粘合剂的提取物溶血率低于5%，符合医用材料的安全标准。与小鼠成纤维细胞L929共培养一天后，细胞活力与对照组相当。与大鼠骨髓间充质干细胞BMSCs共培养七天后，细胞活力甚至有所增加。活/死细胞染色进一步证实，该材料提取物对L929和BMSCs均无毒性作用，细胞生长状态良好。这些结果证明了该骨粘合剂具有良好的细胞相容性。

3.5. 骨粘合剂的促血管生成和成骨潜力

体外功能实验表明，该骨粘合剂能有效促进人脐静脉内皮细胞HUVECs在基质胶上形成微血管网络，其分支点和总毛细血管长度显著高于对照组。免疫荧光染色显示CD31（血管内皮标志物）表达增强。在成骨分化方面，与BMSCs长期共培养后，ALP染色、ARS染色和Von Kossa染色均显示PEG-SG/TA/CuO/BG/Gel组有更显著的成骨诱导效果。ELISA检测发现，培养21天后，成骨标志物I型胶原和骨钙素的表达量显著高于对照组。RT-qPCR分析也证实，由于CuO和BG的加入，成骨相关基因（如OPN、BMP-2、RUNX2、ALP、OCN、Col-I）的表达均上调。这些功能主要源于释放的Cu²⁺和Ca²⁺离子的生物活性以及明胶的抗氧化作用。

3.6. 骨粘合剂促进骨再生

在大鼠颅骨缺损模型中，植入PEG-SG/TA/CuO/BG/Gel骨粘合剂修复的组别表现出卓越的骨再生能力。术后三个月，Micro-CT分析显示，骨粘合剂组的骨体积分数和骨矿物密度显著高于空白对照组和PMMA骨水泥组，BV/TV值是对照组的2.85倍，PMMA组的2.19倍。组织学染色（H&E和Masson三色染色）表明，骨粘合剂组在三个月时材料已基本降解，移植物与宿主骨之间界面融合良好，并有大量胶原沉积，而PMMA组材料则几乎未降解且界面存在明显间隙。免疫荧光染色显示，骨粘合剂组促炎因子TNF-α表达较低，而抗炎因子CD163表达较高，表明其具有积极的免疫调节作用。同时，该组CD31、I型胶原和骨钙素的表达也更为强烈。转录组学分析揭示，骨粘合剂处理组的组织中，与成骨和炎症调节相关的PI3K-Akt信号通路和钙信号通路被激活，而PMMA组则富集到与破骨细胞分化相关的通路。重要器官的组织学检查和血液生化指标分析证实了该骨粘合剂具有良好的体内生物安全性。

综上所述，这项研究成功地开发出一种集快速强力粘附、广谱抗菌、促血管生成和成骨诱导于一体的多功能骨粘合剂。其创新之处在于通过合理的成分设计（PEG-SG, TA, CuO, BG, Gel），实现了机械性能与生物功能的有效平衡。该材料不仅能满足手术中即时固定的力学需求，还能通过降解产物调控局部微环境，协同促进骨组织再生，并具有良好的生物相容性和生物安全性。研究从材料表征、体外功能验证到体内动物模型，系统地评估了其综合性能，并深入探讨了其通过激活PI3K-Akt和钙信号通路等分子机制发挥作用的可能性。这项研究成果为开发新一代智能骨修复材料提供了重要的理论和实验依据，在颅颌面外科、骨科创伤修复等领域具有广阔的临床应用前景。