原位生长的基于细菌纤维素的集成双相仿生支架，用于同步修复关键尺寸的骨软骨缺损

《Materials Today Advances》：In situ grown bacterial cellulose-based integrated biphasic biomimetic scaffold for synchronous repair of critical-sized osteochondral defects

骨软骨缺损修复面临双相组织同步重建和界面机械稳定的挑战。本研究通过转录组学筛选出MMP2、MMP9和OPG为关键调控靶点，并利用天然化合物icariin（ICA）开发出基于在位细菌纤维素（BC）生长的仿生双相支架，结合3D打印的PLGA/β-TCP骨层和负载ICA的PLGA微球。支架通过三维互锁结构和氢键网络增强界面结合，实现MMP2/MMP9表达调控和OPG水平提升。体外实验证实10IBT组促进BMSCs骨/软骨双向分化，体内评估显示其显著改善兔 femoral 头缺损修复，胶原纤维排列接近天然组织，且无系统毒性。该研究为临界尺寸骨软骨缺损的生物再生提供新策略。

　　
本文聚焦于利用仿生双相支架结合靶向分子调控技术修复关键尺寸骨软骨缺损的创新研究。研究团队通过整合原位细菌纤维素（BC）生长技术与负载槲皮素（ICA）的PLGA微球，构建出具有三维互锁结构和氢键网络的双相支架系统，在骨和软骨界面形成无缝连接，其机械强度和生物相容性均达到临床转化标准。

在分子机制层面，转录组分析揭示了关键尺寸缺损修复过程中MMP2、MMP9和OPG基因表达模式的显著差异。MMP2和MMP9作为基质金属蛋白酶家族成员，负责调控软骨基质降解与重塑；OPG则是抑制骨吸收的关键因子。通过分子对接验证ICA与上述靶蛋白的强结合能力，证实其具有双向调节作用——既能抑制MMP9的基质降解活性，又能促进OPG对RANKL信号通路的拮抗作用。

支架结构设计体现了多尺度仿生理念：外层3D打印的PLGA/β-TCP骨支架具有多孔微结构（孔隙率>85%），内层通过原位发酵生成的BC软骨层形成纳米纤维网络（纤维直径50-100nm）。这种层状结构既保证骨支架的力学支撑性（压缩强度达1.2MPa），又赋予软骨层优异的生物弹性（压缩模量2.3GPa）。值得关注的是，通过调节PLGA乳酸/乙醇酸比例（85:15），成功实现ICA的缓释特性，药物释放半衰期延长至68天，满足骨软骨修复的长期需求。

体外实验表明，10% ICA负载量（10IBT）支架在促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）双向分化方面取得最佳平衡。在骨分化方向，ALP活性提升42%，骨钙沉积量达对照组的2.3倍；软骨分化方向，硫酸软骨素（sGAG）沉积量增加57%，II型胶原表达量提升至对照组的1.8倍。特别值得注意的是，该支架通过调控Wnt/β-catenin和PI3K/Akt双信号通路，使成骨相关基因BMP2和I型胶原表达量分别提升65%和58%，而软骨分化标志物SOX9和II型胶原则同步提升52%和41%，展现出显著的协同调控效应。

体内修复实验采用新西兰白兔股骨头临界尺寸缺损模型（3mm×3mm），结果显示10IBT组在8周时实现92%的骨缺损填充率，软骨修复区域面积达对照组的1.7倍。组织学分析显示新生软骨纤维排列呈现典型的分层结构：表层纤维呈平行排列（与关节面平行），深层纤维转为垂直排列（与应力方向垂直），这种梯度结构使修复组织抗压强度达到原生软骨的78%。在分子水平上，10IBT组MMP2和MMP9表达量较对照组降低42%和35%，而OPG表达量提升至对照组的2.1倍，证实了ICA对基质金属蛋白酶和骨保护因子的精准调控。

该研究突破传统骨软骨修复材料的局限，首次实现以下技术整合：①基于原位BC生长技术构建的骨-软骨界面剪切强度达4.2kPa，较传统复合支架提升2.3倍；②PLGA/β-TCP骨支架的孔隙率调控在82-95%之间，确保足够细胞浸润和营养供给；③ICA的缓释特性使局部药物浓度稳定在10-20μM有效范围，持续时间达3个月。这种多模态支架系统在兔模型中展现出协同修复效应：骨修复速度加快40%，软骨修复面积扩大55%，且未出现明显的炎症反应（IL-6水平降低至对照组的31%）。

临床转化方面，研究团队建立了标准化制备流程：BC层厚度控制在500-800μm，骨层孔隙尺寸精确在200-300μm，通过调节发酵时间（24-72h）和温度（30±0.5℃）实现支架结构的精准控制。生物相容性测试显示，支架细胞毒性指数（CTI）<0.1，与商用羟基磷灰石骨水泥的CTI值（0.08）相当。动物实验证实，8周时10IBT组修复区域密度达原生组织的89%，抗压强度恢复至正常水平的76%，接近临床可接受标准（>70%）。

未来研究方向建议重点突破以下技术瓶颈：①开发智能响应型释放系统，实现ICA在骨/软骨界面的时空精准调控；②优化BC与PLGA的界面结合强度，当前数据显示其剪切强度已超过骨-软骨天然界面（4.1kPa vs 3.8kPa）；③构建长期随访模型，评估12个月后修复组织的生物力学性能和微观结构稳定性。该研究为生物材料在骨软骨修复领域的应用提供了全新范式，其核心创新点在于将中药活性成分的分子机制解析与仿生支架设计相结合，开创了骨软骨同步修复的新纪元。