HAp@MXene纳米复合材料程序性调控巨噬细胞极化以促进骨修复的创新策略

本文介绍了一种创新性骨修复材料HAp@MXene，该材料通过磁场诱导电刺激和钙离子（Ca2+）释放，实现巨噬细胞M1/M2极化的时序性程序调控，兼具早期抗菌（通过NF-κB通路）和后期成骨（通过PI3K-AKT通路）双重功能，为感染性骨缺损修复提供了非介入性治疗新方案。

　　

材料设计与表征

研究团队通过水热法合成了羟基磷灰石纳米棒（HAp）与MXene纳米片复合的HAp@MXene材料。扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）显示HAp呈均匀纳米棒状（长度80-150 nm，宽度20-40 nm），MXene为不规则超薄片状（200-400 nm），复合后两者分布均匀。X射线衍射（XRD）证实复合物同时具备HAp（PDF#72-1243）和MXene的特征峰。在300-500 rpm旋转磁场下，材料可产生2-3 mV感应电压，表明其具备磁电转换能力。

细胞相容性与内化机制

细胞毒性试验表明，当HAp与MXene质量比为4:1、总浓度25 μg/mL时，RAW264.7巨噬细胞和间充质干细胞（MSCs）存活率均超过95%。激光共聚焦显微镜显示材料可被细胞吞噬并与溶酶体共定位。体外模拟溶酶体酸性环境（pH=5）实验证实，材料在酸性条件下可持续释放Ca²⁺，而在中性环境（pH=7.4）释放量显著降低。

巨噬细胞极化的程序性调控

通过磁场干预可实现巨噬细胞极化的时序性调控：

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  早期M1极化（1-3天）：在旋转磁场作用下，材料表面产生电刺激，通过激活NF-κB通路（p65磷酸化上调），促进肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）等M1标志物表达，诱导炎症反应和活性氧（ROS）生成，增强抗菌能力。

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  向M2表型转换（4天后）：撤除磁场后，材料在溶酶体内释放的Ca²⁺激活PI3K-AKT通路，驱动巨噬细胞向M2表型转化，高表达CD206、IL-10等抗炎因子，促进组织修复。

  Western blot和免疫荧光染色证实，磁场处理组iNOS（M1标志）表达显著升高，而后续Ca²⁺刺激组Arg-1（M2标志）表达上调。抑制剂实验（Bay 11-7082抑制NF-κB、LY294002抑制PI3K）进一步验证了通路特异性。

协同成骨与免疫调控机制

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  M1极化招募干细胞：M1巨噬细胞条件培养基显著增强MSCs的迁移能力，加速划痕愈合，表明早期炎症反应有助于干细胞募集。

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  M2极化促进成骨：Transwell共培养实验显示，M2巨噬细胞通过旁分泌作用上调MSCs的成骨基因（RUNX2、COL-1、OPN、OCN）表达，免疫荧光和Western blot证实成骨蛋白（ALP、OCN）表达增强。碱性磷酸酶（ALP）染色和茜素红染色显示材料组矿化结节形成显著增加。

抗菌性能验证

在皮下感染模型中，磁场处理的HAp@MXene组表现出最低的细菌载量（CFU计数）和最轻的炎症细胞浸润。免疫荧光显示该组巨噬细胞高表达iNOS（M1标志），表明电刺激通过增强吞噬功能和ROS生成提升抗菌能力。体外细菌共培养实验排除磁场直接抗菌作用，证实抗菌效果源于免疫调控。

体内骨修复效果

大鼠股骨缺损模型Micro-CT显示，磁场处理的HAp@MXene组骨体积分数（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）和数量（Tb.N）最高，骨小梁分离度（Tb.Sp）最低。组织学（H&E和Masson染色）可见大量新生骨组织，免疫组化显示OPN、OCN表达显著上调。主要器官组织学分析未发现毒性反应。

机制总结

该研究揭示了HAp@MXene通过双重机制促进骨修复：

1. 1.

   磁场触发电刺激→激活NF-κB→M1极化→早期抗菌/干细胞招募；

2. 2.

   Ca²⁺释放→激活PI3K-AKT→M2极化→后期抗炎/成骨分化。

   这种时序性调控克服了传统材料无法兼顾抗菌与成骨的局限，为感染性骨缺损提供了非介入性治疗新策略。