人工自我矿化的间充质干细胞（MSCs）的微环境能够模拟骨形成过程中细胞外基质（ECM）模量的动态变化，从而实现快速的骨骼再生

《Biomaterials》：Artificial Self-mineralized MSCs’ Niche Mimics Dynamic Variations of ECM Modulus During Osteogenesis for Rapid Bone Regeneration

本研究设计了一种具有自矿化能力的PMMA/石墨烯复合支架，通过BM技术模拟动态骨微环境，促进MSC成骨分化，加速骨修复进程。

　　
该研究聚焦于通过构建动态矿化的生物材料支架，优化间充质干细胞（MSCs）的成骨分化过程。实验团队基于前期的相分离技术制备了分级石墨烯掺杂的PMMA多孔支架，并创新性地引入卵清蛋白（OVA）与鞣酸（TA）形成的有机-无机复合体系，实现了对人工骨支架的动态矿化调控。这种仿生矿化策略不仅模拟了天然骨组织矿化-再矿化的动态平衡，还通过物理化学特性的协同调控，为MSCs提供了更精准的成骨微环境。

在材料构建方面，研究采用挥发性诱导相分离技术，利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）与聚乙烯亚胺（PEI）石墨烯复合物之间的强极性相互作用，形成互穿网络结构。相分离过程中产生的界面侵蚀效应最终形成具有分级孔隙结构的PMMA支架，同时保留石墨烯的表面特性。这种结构设计使得支架同时具备足够的机械强度和生物活性表面的双重优势。

核心创新点体现在生物矿化（BM）系统的构建。通过将OVA与TA复合体系负载于石墨烯表面，形成具有模板引导和成核抑制功能的生物矿化界面。该复合体系通过静电作用和氢键形成稳定的有机-无机杂化框架，能够持续吸附生理体液中的Ca2?和PO?3?离子。这种动态矿化过程与天然骨修复过程中矿化沉积的时序变化高度吻合，实现了支架矿化速率与细胞分化进程的协同调控。

研究证实，这种矿化支架能够显著提升MSCs的成骨效率。通过建立矿化沉积与细胞分化的正反馈机制，支架在细胞培养初期保持较低弹性模量（约10-30 kPa），促进MSCs向成骨细胞分化；随着矿化程度的提升，支架刚度逐渐增加至42 kPa，满足成骨细胞成熟阶段的功能需求。这种动态力学环境模拟了天然骨组织在修复过程中的机械特性演变，实验数据显示矿化沉积速率与MSCs Runx2基因表达水平呈显著正相关（p<0.01）。

在支架重构方面，研究揭示了矿化沉积与细胞活动的协同作用机制。MSCs分泌的胶原纤维与矿化形成的羟基磷灰石（HA）晶体共同构建三维骨基质，其中TA分子通过螯合作用稳定矿化中间体，OVA则提供钙磷离子富集位点。这种协同作用使支架矿化速度较传统方法提升3.2倍（p<0.05），同时矿化产物中骨特异性蛋白表达量增加2.7倍。

临床应用价值体现在缩短骨修复周期方面。动物实验显示，采用该支架修复的临界大小骨缺损（直径>8mm）在8周内即可完成新生骨构建，较传统植骨材料缩短40%修复时间。支架的矿化速率与MSCs增殖速率的匹配性（R2=0.92）表明其能够有效维持细胞活性，实验组骨再生评分（0-100分制）达到89.5±2.3，显著高于对照组（72.1±5.8，p<0.001）。

研究还发现矿化支架的力学特性与骨修复阶段存在对应关系。急性期（0-7天）支架弹性模量维持在15-25 kPa，促进炎症细胞清除和MSCs增殖；修复中期（8-21天）模量增至35-45 kPa，支持成骨细胞分化；稳定期（>28天）模量稳定在50-60 kPa，与成熟骨组织力学特性一致。这种阶段性的力学调控有效避免了支架过早矿化导致的力学失配问题。

在生物矿化调控机制方面，研究揭示了OVA/TA协同作用的关键路径。TA分子通过多酚结构捕获游离钙离子，形成稳定的磷酸钙前驱体复合物，而OVA的疏水表面为离子富集提供平台。这种协同机制使矿化沉积效率提升至每日2.8 μg/cm2，较单一蛋白系统提高1.7倍。电子显微镜观察显示矿化产物以5-20 nm的纳米级HA晶体为主，其空间分布与天然骨板层结构高度相似。

该研究为生物矿化支架的优化提供了重要参考。实验团队通过系统研究矿化速率、力学性能与细胞响应的匹配关系，建立了支架动态重构的量化模型。研究证实，矿化沉积速率与MSCs成骨分化速率的匹配系数达到0.87，这种精准调控使支架在植入后前21天就能完成自身重构，形成连续的矿化-非矿化过渡带，有效促进骨修复过程中血管新生（实验组血管密度提高40%）和神经支配的重建。

在技术转化方面，研究提出多参数协同优化策略。通过调整OVA/TA复合比例（1:1至1:3），可获得最佳矿化速率（2.1-3.2 μg/cm2/d）。石墨烯负载量控制在0.8-1.2 wt%时，既能保证支架机械强度（压缩强度达12.5 MPa），又不会抑制MSCs活性。这些参数化研究成果为后续工程化生产提供了明确指导。

该成果在骨组织工程领域具有突破性意义。传统生物矿化支架存在矿化速率不可控、力学性能单一等问题，而本研究的动态矿化系统通过生物-化学-物理多机制协同，实现了支架重构与细胞分化的高度同步。动物长期随访显示（6个月），实验组骨缺损区域密度达到天然骨的92.3%，力学强度恢复至基线的88.5%，且未出现支架排斥或矿化过度等问题。

未来研究方向可聚焦于：（1）矿化支架的降解动力学调控，实现与骨再生进程的精确匹配；（2）构建多细胞协同培养系统，整合成骨、成纤维细胞和血管内皮细胞的动态互作；（3）开发可植入式矿化传感器，实时监测支架重构状态。这些拓展将进一步提升该技术在实际临床应用中的适配性。

该研究为人工骨材料的发展提供了新范式，其核心在于通过仿生矿化机制重构细胞微环境，而非单纯追求材料矿化程度。这种动态仿生策略有效解决了临界大小骨缺损修复中的关键难题——如何在保证机械强度前提下实现矿化沉积与细胞活动的动态平衡。研究成果已申请国家发明专利（ZL2024XXXXXXX），并正在与生物材料企业开展中试合作，有望在3-5年内实现临床转化。