压电MXene/PVDF/丝素蛋白三明治结构水凝胶通过甘油磷脂代谢调控骨质疏松性炎性骨缺损中的成骨与成脂分化

《Materials Today Bio》：Sandwich-Structured PVDF/Protein Piezoelectric Hydrogel Regulates Osteogenesis and Adipogenesis through Glycerophospholipid Metabolism in Osteoporotic Inflammatory Bone Defects

　　

摘要 骨质疏松可发生于年龄相关的卵巢功能障碍导致雌激素缺乏时。当骨矿物质含量降低时，脆弱的骨骼易发生骨缺损。雌激素缺乏导致间充质细胞分化向成脂方向偏移并减少成骨分化，最终导致骨不连。电刺激具有调控细胞分化的潜力，因此对于合并炎症环境的骨质疏松性缺损具有应用前景。研究人员制备了一种三明治结构的丝素蛋白（RSF）水凝胶，其中包含三层具有丰富β晶相的聚偏氟乙烯（PVDF）电纺膜及用于导电的MXene，该水凝胶在机械压缩下可产生高达500 mV的电压，从而利用植入骨移植物作为可持续的电刺激来源。联合转录组学与代谢组学分析揭示，压电刺激通过上调脂质降解相关基因促进成骨并抑制甘油磷脂代谢。具体而言，Pla2g4a对磷脂水解至关重要，这一结论通过大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）的苏丹黑B染色得以验证。最后，研究人员在骨质疏松大鼠中建立股骨缺损模型，植入MXene/PVDF/RSF水凝胶，通过micro-CT和免疫染色证实其促进成骨并减少成脂。综上，压电MXene/PVDF/RSF水凝胶有效重定向骨-脂平衡并克服骨质疏松性骨缺损中的炎症环境，为未来临床应用奠定基础。

骨质疏松性骨缺损中的骨-脂失衡与压电治疗策略：MXene/PVDF/丝素蛋白水凝胶的研究进展

一、研究背景与科学问题

骨质疏松症以骨矿物质含量丢失为特征，其根本原因在于雌激素缺乏所导致的骨-脂比例失衡，全球约18%-20%的人群受其影响。女性衰老过程中，卵巢颗粒细胞分泌的雌激素逐渐下降，导致破骨细胞过度活化，被吸收的骨组织被脂肪组织替代，骨矿物质含量尤其是羟基磷灰石减少，机械强度下降。此时，轻微的创伤即可引发骨折，并因成骨-成脂平衡向脂肪方向偏移而演变为难以愈合的骨缺损。此外，炎症因子如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的升高进一步延缓骨愈合，导致骨不连。

电刺激已被证实可调控间充质细胞分化、促进细胞生长及成熟。骨组织本身具有电学特性，应力作用于骨时产生电流，并诱导再生骨细胞中的离子流，改变下游信号分子。因此，通过压电效应将机械应力转化为电刺激，是一种极具前景的治疗策略。然而，现有压电材料存在诸多局限：氨基酸晶体在滑液中快速溶解；聚乳酸（PLLA）机制尚不明确；钛酸钡纳米颗粒易在缺损中耗散并可能诱发骨溶解。因此，亟需开发能将机械应力与压电刺激耦合并促进骨再生的新型材料。

聚偏氟乙烯（PVDF）是一种介电聚合物，其高偶极矩源于电负性氟原子与氢原子，可通过机械应力产生电势。电纺工艺可显著提高其β晶相含量，增强压电性能。然而，PVDF的疏水性阻碍细胞黏附，且降解时间长、质地柔软扁平，不适合作为骨填充材料支持组织长入。丝素蛋白（RSF）水凝胶具有良好的生物相容性和可塑性，但通常被认为是生物惰性的。将PVDF与导电材料MXene结合，可实现应力从骨组织到PVDF膜的高效传递，并使电荷均匀分布于与生物活性生长组织紧密接触的软材料表面，从而增强再生效果。

二、研究内容与核心发现

针对上述问题，研究人员设计并制备了一种三明治结构的压电水凝胶，将电纺PVDF膜嵌入含MXene的RSF水凝胶中，利用肌肉收缩产生的机械应力持续生成电刺激，用于治疗骨质疏松性炎性骨缺损。该研究系统表征了水凝胶的形貌、力学性能、降解行为及压电性能，并在细胞和动物水平验证了其调控成骨-成脂平衡的效应与机制。研究论文发表于《Materials Today Bio》。

三、关键技术方法

研究人员采用电纺丝技术制备PVDF纳米纤维膜，通过调控工艺参数获得高β晶相含量；将MXene与RSF溶液混合，采用酶促交联与乙醇诱导β-折叠形成制备复合水凝胶，并嵌入多层PVDF膜构建三明治结构。材料表征综合运用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）及准静态d₃₃压电系数测量。体外实验采用自制压缩装置对水凝胶施加循环机械载荷以产生压电刺激，结合转录组学与代谢组学多组学分析、RT-qPCR、Western blot、siRNA基因沉默及多种染色技术（ALP、ARS、油红O、苏丹黑B、TRAP）评估成骨、成脂及破骨分化。动物实验采用去卵巢（OVX）大鼠模型，在股骨髁建立3 mm缺损并植入水凝胶，通过micro-CT、DXA和组织学染色评估骨再生效果。

四、研究结果

1. MXene/PVDF/RSF水凝胶的形貌与结构

电纺PVDF纤维膜纤维直径均匀（0.75 μm），相互交织形成多孔网络。FTIR和XRD证实电纺后β晶相含量显著提高，PVDF粉末则主要呈现α晶相。MXene的加入使RSF水凝胶孔径更均匀、结构更致密，PVDF膜在MXene/RSF水凝胶间保持纤维结构，形成稳定的三明治构型。

2. 力学与压电性能

MXene的加入使水凝胶压缩强度从1.046 MPa提升至1.097 MPa，压缩模量从1.116 MPa提升至1.306 MPa，PVDF层数的增加对力学性能影响不大。降解实验表明，MXene和PVDF未显著加速水凝胶降解，降解产物使PBS溶液pH在28天内降至约5。压电性能测试显示，RSF单独压缩时电压仅为25.33 mV且波形不规则，加入MXene后波形规则化（53.99 mV），嵌入1层PVDF后电压显著升至198.6 mV，3层时达491.7 mV。压电系数d₃₃从RSF的15.98 pC/N升至MXene/PVDF/RSF的48.58 pC/N。

3. 压电刺激促进成骨并抑制成脂与破骨

自制压缩装置可产生高达8 N的循环力，与大鼠步态周期中股骨所受内力相当。压电刺激诱导MC3T3细胞钙离子内流，河豚毒素预处理可抑制该反应。在TNF-α模拟的炎症环境下，压电刺激14天后ALP活性显著增强，钙沉积分布更均匀。油红O染色显示压电刺激显著减少脂滴数量与大小，TRAP染色及活性测定证实压电刺激抑制破骨细胞形成。免疫荧光和Western blot证实压电刺激上调骨桥蛋白（OPN）和RUNX2表达。

4. 甘油磷脂代谢通路介导压电效应

多组学分析显示，TNF-α处理与压电刺激均显著影响甘油磷脂代谢通路。压电刺激使Pla2g4a表达上调5.7倍，其编码蛋白cPLA2表达上调3倍。siRNA沉默Pla2g4a后，苏丹黑B染色显示压电刺激的抑脂效应被逆转，证实cPLA2介导的磷脂降解是压电调控成脂的关键机制。

5. OVX大鼠股骨的骨-脂失衡特征

OVX大鼠体重显著增加，micro-CT显示骨体积和骨表面积减少，骨小梁厚度增加、数量减少、分离度增大。DXA显示股骨骨密度显著降低，股骨脂肪/总重量比升高。H&E染色显示骨髓腔中脂肪细胞数量增多，BMP2/PPARγ免疫荧光强度比显著下降。

6. MXene/PVDF/RSF水凝胶恢复OVX股骨缺损的骨-脂平衡

植入MXene/PVDF/RSF水凝胶6周和12周后，micro-CT显示骨体积分数（BV/TV）和骨密度显著高于其他组，骨小梁厚度增加。组织学染色显示压电组新生骨层更厚，胶原纤维矿化更完全。PPARγ免疫染色显示压电组缺损区成脂标记表达显著降低，cPLA2表达则分布于压电刺激区域。

五、结论与展望

该研究成功构建了压电性能可调的MXene/PVDF/RSF三明治结构水凝胶，通过优化PVDF膜β晶相含量与层数实现电压输出调控。压电刺激通过上调Pla2g4a/cPLA2介导的甘油磷脂降解，促进成骨分化、抑制成脂分化并减少破骨形成，从而在骨质疏松性炎性骨缺损中有效重定向骨-脂平衡。该蛋白水凝胶将肌肉收缩的机械应力转化为电刺激，为内分泌紊乱所致炎症性骨缺损的治疗提供了新策略，具有广阔的临床应用前景。