锶掺杂羟基磷灰石纳米复合材料通过调控骨微环境中M2巨噬细胞极化促进骨形成与血管生成

本研究针对骨质疏松治疗的临床需求，开发了系列锶掺杂羟基磷灰石纳米复合材料(Srx-HAP)，系统探究了不同锶掺杂比例(0%-100%)对骨再生的影响。研究发现20%锶掺杂样品(Sr20-HAP)能显著促进前成骨细胞MC3T3-E1的成骨分化和矿化，并通过调控巨噬细胞向M2型极化改善骨微环境，在去卵巢大鼠和老年小鼠模型中均展现出优异的促骨形成和血管生成能力。该研究为骨质疏松治疗提供了新型功能性生物材料。

　　

骨质疏松症作为常见的年龄相关性骨骼疾病，已成为全球公共卫生挑战。现有抗骨吸收药物如双膦酸盐虽能抑制破骨细胞活性，但长期使用可能导致非典型骨折；而促骨形成的合成代谢疗法选择有限。羟基磷灰石(HAP)作为骨基质主要无机成分虽具骨诱导能力，但单纯HAP难以平衡骨形成与骨吸收的动态过程。锶(Sr)作为人体必需微量元素，其与钙的化学相似性使其能特异性富集于骨组织，通过双向调节成骨细胞和破骨细胞功能成为骨质疏松治疗的潜在靶点。然而，锶的剂量依赖性效应——低剂量促骨形成而高剂量干扰矿化——使得其在HAP中的最佳掺杂比例亟待明确。

河北大学化学与材料科学学院联合基础医学院的研究团队在《Regenerative Biomaterials》发表研究，通过水热法制备了锶掺杂比例从0%至100%的系列羟基磷灰石纳米复合材料(Sr_x-HAP)，系统评价了不同掺杂比例材料的理化性质及生物学效应。研究发现20%锶掺杂的Sr20-HAP能最优促进骨形成，并通过调控骨免疫微环境实现骨质疏松治疗。

研究采用水热合成法制备系列Sr_x-HAP纳米材料，通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)表征晶体结构和形貌；使用MC3T3-E1前成骨细胞评估细胞活性和成骨分化能力；建立去卵巢大鼠和自然衰老小鼠模型，通过micro-CT和组织学分析骨微结构；采用共培养体系研究巨噬细胞极化对成骨和血管生成的影响；通过免疫荧光检测骨组织中M1/M2型巨噬细胞标志物表达。

晶体结构、形貌和发光特性
通过水热法成功制备的Sr_x-HAP纳米复合材料均呈现均匀分散的棒状形态，长度50-80nm，直径约20nm。XRD显示当锶掺杂比例≤10%时保持HAP六方晶相，而Sr20-HAP出现HAP与Sr-HAP的混合相。元素 mapping证实锶在HAP基质中的均匀分布，ICP-OES测得实际掺杂浓度与投料比基本一致。

MC3T3-E1细胞活性和体内成骨能力
MTT实验显示Sr20-HAP在72小时表现出最优的细胞活性。ALP活性和茜素红染色证实Sr20-HAP显著增强MC3T3-E1细胞的成骨分化和矿化能力。在去卵巢大鼠模型中，Sr20-HAP组骨小梁体积和数量显著高于OVX组，血清骨吸收标志物CTX-1水平降低，效果优于单纯HAP和Sr100-HAP。

骨微环境相关细胞的生物学效应
Sr20-HAP在1μg/mL浓度下显著促进骨髓间充质干细胞(BMSCs)的ALP活性和矿化结节形成，同时抑制骨髓单核细胞(BMMNCs)向破骨细胞分化。血管形成实验显示Sr20-HAP处理的HUVECs形成更多血管交叉点和更长血管总长度。Western blot显示Sr20-HAP处理72小时后，巨噬细胞M2型标志物Arg-1表达显著上调。

巨噬细胞极化对成骨和血管生成的影响
共培养实验发现，经Sr20-HAP预处理的Raw264.7细胞条件培养基可显著增强BMSCs的成骨分化和HUVECs的血管生成能力，表明M2型巨噬细胞分泌的因子在骨修复中起关键作用。

老年小鼠模型中骨免疫微环境调控
免疫荧光显示老年小鼠骨组织中iNOS⁺ M1型巨噬细胞增多，而Sr20-HAP处理组Arg-1⁺ M2型巨噬细胞显著增加。同时促炎因子TNF-α表达下降，抗炎因子IL-10上升。Micro-CT证实Sr20-HAP组骨体积分数(BV/TV)和骨小梁数量(Tb.N)显著改善，CD31免疫组化显示血管生成增强。

该研究证实20%锶掺杂的羟基磷灰石纳米复合材料通过多重机制促进骨再生：直接刺激成骨细胞分化、抑制破骨细胞活性、促进血管生成，特别是通过调控巨噬细胞向M2型极化改善骨免疫微环境。这种"材料-细胞-微环境"三级调控策略为骨质疏松治疗提供了新思路，解决了传统抗骨吸收药物促骨形成能力不足的临床痛点。研究建立的锶掺杂比例-结构-功能关系为功能性骨修复材料的开发提供了重要参考。