具有连续离子释放功能的免疫调节性 GelMA&Zn2+/Ce3+-whitlockite 骨架材料，用于骨骼再生

《Bioactive Materials》：Immune regulative GelMA&Zn2+/Ce3+-whitlockite scaffolds with continuous ions release for bone regeneration

骨再生与免疫微环境调控：Zn2?/Ce3?共掺杂微白钙石水凝胶的骨整合与抗菌机制研究。

　　这项研究提出了一种创新的骨修复策略，通过结合生物活性金属离子和仿生骨微环境，开发出一种具有免疫调节、抗菌和骨整合功能的新型纳米复合水凝胶支架。研究团队通过将Zn2?和Ce3?双掺杂的白榴石纳米颗粒（Zn2?/Ce3?-WH）嵌入GelMA水凝胶中，制备出一种具有降解性、可控释放特性的仿生复合材料。这种材料不仅能够促进成骨细胞的成骨分化，还能有效调节骨免疫微环境，从而实现骨组织的再生与修复。此外，这种材料还展现出良好的抗菌性能，能够抑制术后感染，为骨修复提供一个更全面的生物微环境支持。

### 研究背景与意义

在骨修复领域，传统材料往往只能实现单一功能，如促进成骨或抑制感染，而难以同时调节复杂的骨免疫微环境。这导致在慢性炎症性骨病患者中，骨修复过程常常受到氧化应激、纤维包裹等不良因素的干扰，从而延迟骨再生或导致组织修复失败。因此，理想的骨植入材料应同时具备快速成骨能力和免疫调节功能，以实现最佳的骨修复效果。

研究团队选择白榴石（WH）作为基础材料，因其在骨和牙齿中广泛存在，具有优异的骨传导性，并且富含Mg2?，而Mg2?在骨形成中起着关键作用。然而，单独使用WH材料在调节骨免疫微环境和术后感染控制方面存在局限。为此，研究者引入了Zn2?和Ce3?的协同掺杂策略，通过其各自的功能特性（如Zn2?的促成骨作用和Ce3?的抗氧化、抗菌性能），提升材料的综合性能。

### 材料设计与合成

研究团队采用一种仿生策略，通过化学沉淀法合成Zn2?/Ce3?双掺杂的白榴石纳米颗粒，并将其嵌入GelMA水凝胶中，形成一种可控释放的纳米复合材料。GelMA具有多孔结构、可降解性、良好的生物相容性和可调节的物理化学特性，为离子掺杂的纳米颗粒提供了理想的载体。该水凝胶支架能够在体内模拟自然骨的离子微环境，为细胞提供良好的生长条件，同时通过缓慢释放Zn2?和Ce3?，实现对骨组织再生和免疫调节的协同促进。

Zn2?和Ce3?的掺杂不仅改变了白榴石的晶体结构，还显著提升了其抗氧化和抗菌性能。通过X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）分析，研究者发现掺杂后的纳米颗粒表现出更小的粒径和不同的晶格参数，这与离子的价态差异有关。此外，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，确认了掺杂后的纳米颗粒在化学结构上保持完整，没有形成新的化合物，进一步验证了其生物活性。

### 生物相容性与功能评估

为了评估该复合材料的生物相容性，研究者进行了细胞毒性测试、细胞活力评估以及细胞形态学分析。实验表明，MC3T3-E1成骨细胞在该材料表面能够良好附着、增殖，并形成稳定的细胞骨架，表明该材料具有良好的细胞亲和性。此外，通过CCK8实验，研究者发现Zn2?/Ce3?-WH提取物能够维持细胞的高存活率，这与Zn2?和Ce3?的协同作用有关，它们不仅促进了细胞增殖，还有效抑制了细胞毒性。

在抗菌性能方面，研究团队通过体外实验评估了不同样品对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑制效果。实验结果显示，3#和4#样品对这两种细菌的抑制作用显著优于对照组和单纯掺杂Zn2?的样品。这可能与Zn2?对细菌细胞膜的结合能力有关，以及Ce3?通过其氧化还原循环对细菌代谢的干扰作用。此外，通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察到，Zn2?/Ce3?-WH提取物能够有效破坏细菌的结构，导致细胞膜破裂和细胞内容物泄漏，进一步证明其抗菌能力。

### 免疫调节与骨整合性能

在免疫调节方面，研究者通过RAW264.7巨噬细胞和骨髓来源的巨噬细胞（BMDM）的实验，评估了材料对免疫细胞分化的影响。结果显示，Zn2?/Ce3?-WH提取物能够显著促进M2型巨噬细胞的极化，而M2型巨噬细胞在骨修复过程中具有促进组织再生和抑制炎症反应的作用。此外，研究还发现，Zn2?能够有效降低促炎因子如TNF-α和iNOS的表达，同时增加抗炎因子如IL-10和CD206的表达，从而改善骨微环境。Ce3?则通过其氧化还原循环，清除过量的活性氧（ROS）和一氧化氮（NO），从而减轻氧化应激，促进M2型巨噬细胞的极化。

在骨整合性能方面，研究者通过体外和体内实验，评估了材料对成骨细胞分化和骨组织再生的影响。体外实验显示，Zn2?/Ce3?-WH能够显著提升MC3T3-E1细胞的碱性磷酸酶（ALP）活性，以及钙沉积水平，表明其具有良好的成骨诱导能力。在体内实验中，通过Micro-CT和组织学分析，研究者发现，植入材料后，骨缺陷区域的新骨形成显著增加，且骨体积/组织体积（BV/TV）和骨小梁参数（Tb.N、Tb.Sp、Tb.Th）均优于对照组。这表明该材料在体内能够有效促进骨再生，并与宿主骨形成良好的整合。

### 体内性能与生物安全性

为了进一步验证该材料的体内性能，研究者在7周龄的雌性大鼠中建立了股骨缺损模型，并植入了不同样品。经过4周和8周的观察，研究发现，植入Zn2?/Ce3?-WH的样品，其骨修复效果显著优于对照组和单纯掺杂Zn2?的样品。这可能与Zn2?和Ce3?的协同作用有关，它们不仅促进了成骨细胞的分化，还有效调节了免疫微环境，从而减少了炎症反应，加速了骨再生过程。

在生物安全性方面，研究团队通过血液学和生化指标分析，评估了该材料对主要器官的影响。结果显示，植入材料后，大鼠的血常规和生化指标均处于正常范围内，未发现明显的系统毒性，进一步确认了该材料的生物相容性。此外，通过HE染色和Masson染色，研究者观察到材料植入后，骨组织的成熟度和完整性显著提升，表明其能够有效促进组织重塑和细胞迁移。

### 临床应用前景

该研究提出的Zn2?/Ce3?双掺杂白榴石-GelMA复合材料，为骨修复提供了一种多功能的解决方案。其具有良好的生物相容性、机械性能、抗氧化和抗菌能力，能够在体内构建一个有利于骨再生的免疫微环境。这种材料的降解速率与骨组织修复的生理过程相匹配，能够促进营养物质的交换和宿主骨的生长。

此外，研究团队还指出，该材料可以通过3D打印和微流控技术进行个性化定制，以适应不同患者的骨缺损形态和治疗需求。这种可控释放的纳米复合材料不仅能够实现多组分协同作用，还能通过时间与空间的调控，为骨组织修复提供更精准的生物活性支持。

### 结论

综上所述，该研究通过将Zn2?和Ce3?双掺杂的白榴石纳米颗粒嵌入GelMA水凝胶中，成功构建了一种具有免疫调节、抗菌和骨整合功能的新型仿生材料。这种材料在体外和体内均表现出优异的性能，能够有效促进骨组织的再生，同时抑制炎症反应和细菌感染。其生物相容性、机械性能和可控释放特性，使其成为一种有前景的骨修复材料，为治疗炎症相关骨缺损和感染提供了新的思路。