机械可调纤维增强水凝胶通过激活PIEZO1-整合素轴促进骨修复

针对不规则牙槽骨缺损修复难题，研究人员开发了负载Yoda1的纤维增强双网络水凝胶（OHADN fiber@Yoda1 hydrogel）。该材料通过PIEZO1-ITGα5轴调控机械信号转导，显著促进成骨分化，并在大鼠模型中实现骨体积恢复（BV/TV提升）和骨小梁结构改善。研究为骨再生提供了新型力学响应性生物材料策略。

　　

骨缺损修复一直是临床面临的重大挑战，尤其是形态不规则的牙槽骨缺损，由于复杂的解剖结构和缺乏兼具力学适配性与生物活性的材料，治疗效果常不尽如人意。传统骨替代材料如羟基磷灰石虽具生物相容性，但降解速率与骨再生进程不匹配，且难以提供动态力学刺激。近年来，机械力在骨发育中的作用备受关注，其中机械敏感离子通道PIEZO1被证实是调控骨骼稳态的核心元件。然而，如何通过生物材料精准模拟天然骨的力学微环境，同时协调免疫调节与成骨分化，仍是亟待解决的科学问题。

为突破这一瓶颈，中山大学口腔医院的Jinghong Yang、Yan Wang团队在《Journal of Nanobiotechnology》发表研究，创新性地设计了一种纤维增强双网络水凝胶系统。该研究通过整合氧化透明质酸（OHA）、负载PIEZO1激动剂Yoda1的PLGA-胶原纤维片段，并利用儿茶酚-Fe³⁺配位形成动态交联网络，构建出兼具力学可调性与生物活性的骨修复平台。关键技术包括：1）静电纺丝制备取向纤维并切割为功能片段；2）氧化透明质酸的双网络交联；3）大鼠牙槽骨缺损模型验证再生效果；4）转录组测序解析PIEZO1-ITGα5信号轴机制。

材料表征与力学性能

通过SEM观察到水凝胶具有20-50 μm的均匀孔隙结构，纤维片段桥接孔壁形成力学支撑。FTIR证实醛基（1736 cm^-1）和儿茶酚基团（1450 cm^-1）的成功修饰。流变测试显示纤维增强使储能模量（G'）提升50%，降解实验证实双网络结构使降解速率降低16%。Yoda1通过纤维缓释体系实现12天持续释放，维持Ca²⁺信号激活。

免疫微环境调控

钙离子荧光检测发现OHADN fiber@Yoda1组巨噬细胞Ca²⁺水平升高1.8倍。qPCR显示抗炎标志物ARG1和IL-10表达显著上调（P<0.01），而促炎因子TNF-α保持稳定。炎症因子芯片分析证实IL-4分泌增加3倍，形成促修复的M2型极化倾向。

成骨分化机制

转录组测序鉴定出761个差异基因，KEGG分析显示黏着斑通路（NES=1.60）和细胞骨架调控通路显著富集。Western blot验证ITGα5、TNS1、RHOA蛋白表达提升2-3倍，免疫荧光显示RUNX2核转位增加。特别值得注意的是，共定位分析揭示PIEZO1与ITGα5的空间共分布（Pearson系数0.51），提示机械信号协同传导。

体内骨再生效果

Micro-CT显示OHADN fiber@Yoda1组骨体积分数（BV/TV）较空白组提高2.1倍，与羟基磷灰石组相当。组织学观察到新生骨小梁厚度（Tb.Th）增加，间距（Tb.Sp）缩小。免疫组化证实实验组PIEZO1、OPN表达量达对照组的3倍，且与ITGα5共定位区域形成机械信号热点。

该研究创新性地通过纤维网络与Yoda1的协同作用，实现了材料降解与成骨转化的动态平衡。双网络设计既保留水凝胶的注射适应性，又通过残余纤维维持长期机械刺激。发现的PIEZO1-ITGα5轴为力学-生物学耦合提供了新靶点，而可控的免疫调节特性进一步优化了再生微环境。这种"力学-化学"双信号调控策略，为复杂骨缺损的临床治疗提供了突破性解决方案。