《Journal of Functional Biomaterials》：Reconstructing the Periosteal Niche with Regenerated Cellulose Nanofibers for Endogenous Bone Regeneration
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大段骨缺损难以治愈，因为当前骨替代物主要恢复力学完整性，却未能重建调控内源性骨再生的骨膜微环境。研究人员通过将再生纤维素纳米纤维膜整合到压缩羟基磷灰石（HAp）支架表面，构建了骨膜启发的复合支架，同时模拟天然骨的矿化框架与生物界面。醋酸纤维素（CA）经电纺成膜
大段骨缺损难以治愈，因为当前骨替代物主要恢复力学完整性，却未能重建调控内源性骨再生的骨膜微环境。研究人员通过将再生纤维素纳米纤维膜整合到压缩羟基磷灰石（HAp）支架表面，构建了骨膜启发的复合支架，同时模拟天然骨的矿化框架与生物界面。醋酸纤维素（CA）经电纺成膜后通过脱乙酰化转为再生纤维素（CEL），在保留类细胞外基质（ECM）纤维形貌的同时提供亲水表面，利于细胞-材料互作。该骨膜拟态膜支持细胞黏附并提升细胞代谢活性，证明其在支架表面可建立再生微环境。在SD大鼠临界尺寸股骨缺损模型中，复合支架较单纯HAp支架显著促进骨再生，新生骨面积大幅增加；组织学分析显示成骨转录因子Osterix表达升高，表明成骨定向增强。工程化骨膜膜不仅作为结构覆盖层，更提供了与增强骨再生相关的细胞支持界面。该仿生策略证明重建骨膜功能是设计具备更高生物性能与再生能力的下一代骨移植物的有效途径。
研究背景与立项依据
骨具有显著内源性再生能力，但缺损超过临界尺寸或周围生物环境被破坏时再生潜力严重受损。当前骨移植替代物多以羟基磷灰石（HAp）或β-磷酸三钙等骨传导陶瓷恢复力学稳定，却未能重现协调内源性骨骼修复的复杂生物微环境，导致细胞浸润受限、成骨激活延迟与重塑不全。天然骨膜是生物活性极强的再生区室，由外纤维层与内成骨层组成，损伤后通过细胞黏附、祖细胞招募、血管入侵及成骨分化调控协调修复级联。临床观察证实保留骨膜可改善骨折愈合，而骨膜损伤会延迟再生。现有骨膜重建策略依赖生长因子递送、干细胞移植或脱细胞骨膜移植物，面临生物变异性、制备复杂性与监管障碍。因此亟需无细胞、结构简易且可转化的生物材料以重现骨膜关键功能。电纺纳米纤维因类ECM架构适用于骨膜工程；再生纤维素（CEL）具备优良生物相容性、亲水性、力学柔性与丰富羟基，CA经电纺与碱脱乙酰化可转为CEL而保留纤维形态，为无活性因子修饰的骨膜拟态界面提供平台。研究人员假设在常规HAp支架表面重建骨膜界面可通过恢复矿化前早期生物事件从根本上改善内源性骨再生，从而开展本研究，论文发表于《Journal of Functional Biomaterials》。
主要关键技术方法
研究人员采用电纺CA（16 wt%，DMF/丙酮=1:2）成膜后经0.1 M NaOH脱乙酰化制备再生CEL纳米纤维膜（CNF PM），并将其 conformal 整合至机械压缩圆柱形HAp支架（直径2 mm、厚1 mm）形成双层复合支架（HAp-CNF PM）。体外以人骨髓间充质干细胞（hBMSCs）为模型，通过F-actin/DAPI荧光、CCK-8代谢活性、ALP活性及VEGF免疫荧光评估细胞响应。体内采用8周龄Sprague–Dawley（SD）大鼠股骨皮质临界尺寸缺损（直径2 mm×深2 mm）模型，术后3周取材，经H&E定量新生骨面积与Osterix免疫组化评估成骨分化，所有动物实验经CHA大学IACUC批准（No. IACUC250138）。
研究结果
3.1 骨膜启发复合支架的制备与结构表征
电纺CA经NaOH脱乙酰化成功转为CEL，FT-IR示1735 cm?1酯羰基消失、3352 cm?1羟基增强，XRD示12.2°/20.0°/21.9°处CEL特征峰出现；SEM确认CEL膜平均纤维直径0.74±0.35 μm且多孔随机取向，组装后均匀锚定于HAp表面无分层；压缩应力-应变曲线显示CEL膜未显著改变整体抗压性能，主要起界面支持作用。
3.2 再生CEL纳米纤维膜的化学与结晶表征
FT-IR与XRD共同证实CA向CEL转化，分子链重排形成再生纤维素Ⅱ型结晶结构，脱乙酰化未破坏纳米纤维架构。
3.3 骨膜启发复合支架的细胞相容性与早期成骨响应
hBMSCs在HAp-CNF PM上形态铺展正常；VEGF免疫荧光定量显示复合组显著高于单纯HAp组；CCK-8示HAp-CNF PM代谢活性最高；ALP活性仅部分回升未成比例增加，研究者解释为CEL膜覆盖减弱细胞与HAp矿物相直接互作及陶瓷吸附裂解蛋白所致，证明CNF PM主要作为细胞支持性纤维界面而非强效独立成骨诱导者。
3.4 骨膜启发复合支架促进体内骨再生
SD大鼠股骨缺损3周H&E显示假手术组多为纤维组织，HAp组有新骨自边缘长入，HAp-CNF PM组新生骨面积显著更大且与宿主骨连续整合；Osterix免疫组化定量示HAp-CNF PM组阳性面积较假手术与HAp组均显著升高，表明CEL膜促进缺损区成骨定向超越单纯矿化支架。
讨论与结论翻译
讨论指出再生CEL具制备简捷、低成本、亲水与类ECM纤维优势，无细胞、无外源生长因子降低制备复杂度并利转化；但局限性在于CEL膜仅重现结构支持特性，未全模拟天然骨膜生物活性分子功能，且哺乳动物缺乏纤维素酶致CEL体内长期存留与重塑未评估，需后续长期随访。结论部分译文如下：
本研究通过将再生CEL纳米纤维膜整合至压缩HAp支架，构建了骨膜启发复合支架以重建天然骨的生物学界面与矿化框架。经NaOH介导脱乙酰化的电纺CA所制CEL膜保留类ECM纤维架构并提供利于细胞-材料互作的界面。单纯HAp支架主要作为力学稳定骨传导基底，而骨膜拟态膜正向影响细胞相容性并促进体内骨再生。组织学分析显示HAp-CNF PM处理缺损较单纯HAp新生骨面积更大、Osterix表达更高，表明修复期成骨定向增强。这些发现强调重建骨膜微环境而非仅依赖矿化支架是改善内源性骨再生的有效策略。该仿生设计提供简易无细胞平台，有望作为骨移植替代物；但研究局限包括缺CEL膜单独对照组、时间点有限及未评估CEL长期 Persistence 与重塑，未来需明确膜存留、纤维包裹与宿主反应以确立安全性与转化适用性。
