综述：通过设计可编程生物交互材料调控细胞命运与功能以促进骨再生

《Advanced Science》：Regulating Cells Fate and Function to Facilitate Bone Regeneration via Designing Programmable Bio-Interactive Materials

　　

实现高效的骨修复需要全面了解天然骨组织的生理活动，从而能够选择并设计合适的材料。迄今为止，人工支架已从惰性材料发展为生物活性材料，并显示出促进骨修复的能力。然而，骨修复过程中发生的复杂生理变化对其实际临床应用构成了重大挑战。在本综述中，研究人员总结了骨生物学研究以及骨组织工程（bone-tissue engineering）应用背景下材料设计的演变。具体而言，我们从材料科学的角度强调了生物材料在调控细胞命运中的作用。此外，我们介绍了可编程生物交互材料（programmable bio-interactive materials）的概念，将其作为骨再生的潜在解决方案。这些材料具有与生物系统动态且精确交互的能力，从而引导骨组织再生过程。另外，我们还讨论了骨组织再生用生物交互材料开发中尚未满足的需求和当前面临的挑战。通过突出该领域的新兴策略，我们旨在为这一令人兴奋的研究领域未来的研发方向提供启示。

**1 引言（Introduction）**
骨缺损是重大的全球公共卫生问题，常导致工作缺勤和高昂的医疗成本。当前的自体或异体/异种移植存在供区并发症和移植物排斥等局限。传统组织工程支架缺乏时间和空间特性，外源性生物活性因子存在免疫原性和疾病传播风险，且支架本身往往忽视了其调控细胞命运的重要性，同时缺乏响应性和可控性。因此，理想材料应具备可编程性和生物交互性，能够响应体内信号并提供基于反馈的干预，从而主动促进骨再生。

**2 骨缺损（Bone Defects）**
骨缺损可由外部创伤或内部疾病引发，超过临界尺寸（通常大于2厘米）的大段骨缺损需要临床干预。常见的缺损部位包括颅骨、面骨、胸骨、四肢骨、脊柱和骨盆等，其病因涉及创伤、退行性疾病、先天缺陷或肿瘤切除。全球疾病负担研究的数据可评估不同年龄、性别和解剖部位的骨折标准化发病率。

**3 骨组织工程支架发展的重要里程碑时间线（Timeline of Major Milestones in Scaffolds for Bone-Tissue Engineering）**
早期的骨修复尝试使用可吸收金属和钙磷酸盐（calcium phosphates），但金属腐蚀可能引起不良反应和应力屏蔽。随着合成与加工技术的进步，生物玻璃（bioglass）和聚合物复合材料等生物材料被开发出来。对骨组织生理特征的理解推动了仿生设计，当前研究聚焦于利用生长因子和干细胞促进骨再生的生物交互材料。

**4 受损骨组织的自愈（Self-Healing of Injured Bone Tissue）**
骨自愈主要通过膜内成骨（intramembranous ossification）和软骨内成骨（endochondral bone formation）两条途径实现。多数临床骨损伤依赖软骨内成骨，其过程分为血肿（炎症）期、成骨细胞期和骨重塑期。机械应变和氧张力等刺激强度决定成骨模式。

**5 血肿期（Hematoma Phase）**
血肿期是骨愈合的起始和关键阶段。中性粒细胞（neutrophils）是最早募集的免疫细胞，受粒细胞集落刺激因子调节。巨噬细胞（macrophage）具有高度可塑性，M1型由干扰素-γ（interferon-gamma, IFN-γ）等促炎信号驱动，M2型由白细胞介素-4（interleukin-4, IL-4）和IL-13诱导，并包含M2a-M2f等不同亚型。然而，传统M1/M2二元模型对指导下一代生物材料设计存在局限，如无法表征材料诱导的多种免疫细胞亚群和巨噬细胞动态变化，未来需结合单细胞测序等高分辨率工具。

**6 骨痂期（Callus Phase）**
骨痂期中间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）分化为软骨细胞或成骨细胞。肥大软骨细胞通过分泌血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）、血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor, PDGF）等诱导血管侵入。血运重建（revascularization）对骨愈合至关重要，VEGF和PDGF家族促进血管生成和内皮祖细胞募集。神经再生（nerve regeneration）通过P物质（substance P）和神经生长因子（nerve growth factor, NGF）等调节成骨和破骨活动。MSCs的迁移和分化受基质细胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor-1, SDF1）、Notch信号及氧张力的调控。

**7 骨重塑期（Bone Remodeling Phase）**
骨重塑期由成骨细胞（osteoblasts）、破骨细胞（osteoclasts）和骨细胞（osteocytes）主导。成骨细胞合成骨基质蛋白，其分化受骨形态发生蛋白（bone morphogenetic proteins, BMPs）等调控。破骨细胞来源于单核/巨噬细胞谱系，依赖核因子κB受体活化因子配体（RANKL）和巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF），通过分泌氢离子和组织蛋白酶K降解骨基质。骨细胞感知机械刺激并调节局部和全身矿化。

**8 巨噬细胞极化策略（Strategies of Macrophage Polarization）**
植入材料会触发异物反应，单核/巨噬细胞在植入早期与材料相互作用。巨噬细胞极化的信号网络包含STAT1、STAT3和STAT6等通路。材料通过其物理化学特性（如形貌、刚度、几何形状、表面电荷）和释放生物活性因子来调控巨噬细胞命运，从而影响骨再生结局。

**9 理化线索（Physicochemical Cues）**
关于基质刚度（stiffness）对巨噬细胞极化的影响存在矛盾结论，有的研究表明低刚度促进M2表型，而另一些研究发现高刚度促进促再生表型，这提示需综合考虑蛋白质吸附和细胞铺展面积等因素。表面形貌如TiO₂纳米结构可激活M2表型。支架几何形状如菱形聚己内酯结构可促进M2a巨噬细胞释放白细胞介素-10（IL-10）。表面电荷中阳离子颗粒通常引发促炎反应，但某些阳离子载体如PAMAM可中和cfDNA，促进M1向M2转变。

**10 生物活性释放（Bioactive Release）**
将IL-4整合到肝素修饰明胶微球中可实现持续释放并促进M2极化。BMPs可募集中间充质干细胞并调节骨免疫微环境。包含白细胞介素-4（IL-4）和骨形态发生蛋白-2（BMP-2）的互穿网络水凝胶具有协同效应。离子掺杂方面，钙可抑制NF-κB通路，镁、锌、锶、铜、铈等离子也能调节免疫反应。时序释放钙离子和锌离子的水凝胶可分别促进M1和M2极化，以满足不同愈合阶段的需求。

**11 血管再生策略（Strategies of Vascular Regeneration）**
低氧环境激活缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factors, HIFs），促进VEGF分泌。VEGF激活内皮细胞和成骨细胞，促进血管形成和骨相关细胞存活。软骨内成骨过程由血管化驱动。

**12 理化线索（Physicochemical Cues）**
支架的孔隙率和孔径大小影响内皮细胞浸润和营养扩散，超过300微米的大孔和高于50%-70%的孔隙率有利于血管化，具有梯度孔径结构如骨桥蛋白支架可增强血管生成。支架刚度也影响血管形成，低压缩模量或模拟细胞外基质渐进硬化的动态水凝胶能促进血管化骨再生。

**13 外部刺激（External Stimulation）**
电刺激和脉冲电磁场（pulsed electromagnetic fields, PEMF）可通过上调VEGF和HIF-1α促进血管生成。压电材料能模拟骨的机电性能，在超声或生理振动下产生电信号，促进血管化骨修复。

**14 生物线索（Biologic Cues）**
掺杂镁（Mg²⁺）和铜离子（Cu²⁺）的支架可刺激血管相关生长因子释放，促进血管化。时空控制释放VEGF和BMP-2的3D打印支架相比于均匀载药支架能显著增强血管生成和骨缺损愈合。

**15 神经调控策略（Strategies of Nerve Regulation）**
神经通过释放神经递质和神经肽如降钙素基因相关肽（calcitonin gene-related peptide, CGRP）调节骨代谢。感觉神经缺失会导致骨愈合不良。研究表明感觉神经元来源的FGF9通过FGFR信号是骨再生的关键介质，未来材料需在时间上保留或重现神经营养和神经旁分泌线索。

**16 外部刺激（External Stimulation）**
电刺激可增加神经纤维密度并上调神经相关因子表达。植入柔性电极刺激背根神经节可促进CGRP释放并改善股骨缺损愈合。超声响应的压电导电纤维网络可激活施万细胞来源的外泌体miRNA，促进神经源性骨再生。

**17 物理线索（Physical Cues）**
多孔支架可模拟细胞外基质微环境。高孔隙率（>80%）和层级孔径结构有利于物质交换和神经细胞向支架内部迁移，但需在设计时平衡机械性能。具有对齐纳米纤维和相互连通大孔的3D支架可模拟天然神经导管，促进轴突生长，而“珊瑚礁样”粗糙表面纳米拓扑结构可促进神经元突起延伸。

**18 释放生物活性组分（Releasing Bioactive Components）**
钙、镁、锌等二价阳离子可上调感觉神经来源的CGRP和胆碱乙酰转移酶水平，促进骨形成。硅、锶、钴等微量元素具有调节神经发生和骨愈合的潜力。负载神经生长因子（NGF）、去甲肾上腺素（norepinephrine）等生物因子的支架可促进神经和骨修复。骨愈合是神经、血管和骨修复机制在空间和时间上协调的过程，神经纤维再生信号常早于血管化标志出现。

**19 结论与展望（Conclusion and Perspective）**
可编程生物交互支架应具备调控细胞趋化、黏附、增殖和分化的能力，并能适应动态的细胞环境。目前面临的挑战包括：对材料作用机制理解有限，材料性能的矛盾需求（如力学稳定与快速降解），缺乏能响应生物信号而改变性质的材料，以及需要更严谨的基因敲除验证。信使核糖核酸-脂质纳米颗粒（mRNA-LNP）疗法在骨修复中应用潜力巨大。针对老年骨质疏松性骨缺损，需发展整合免疫调节、抑制骨吸收和促进成骨的多靶点材料设计，以及可注射、快速固化和增材制造等转化系统。