动态缺陷工程化的二氧化铈纳米酶嵌入式电子供体水凝胶用于糖尿病骨缺损修复

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Dynamic Defect-Engineered Ceria Nanozyme-Embedded Electron-Donor Hydrogel for Diabetic Bone Defect Repair

　　

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  开发了一种供电子水凝胶用于糖尿病骨缺损修复。
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  DMOG在GG/CMCS与CeO?纳米酶之间充当生物电子穿梭体。
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  动态氧空位再生维持了Ce³?/Ce⁴?氧化还原循环。
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  该水凝胶降低了活性氧（ROS）、炎症，并促进了血管生成和骨生成。
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  体内植入加速了糖尿病骨基质沉积与再生。

引言

糖尿病通过多种病理机制破坏骨再生微环境。[1]、[2]、[3]、[4]高糖环境促进了促炎细胞因子的过度产生、缺氧以及过度的氧化应激。[5]持续性高血糖进一步诱导活性氧（ROS）的爆发式积聚，从而抑制间充质干细胞的成骨分化并损害成骨细胞功能。与此同时，慢性氧化应激引发微循环功能障碍、氧化还原失衡和炎症极化，[6]、[7]、[8]共同形成"病理三联征"，严重阻碍骨再生。[9]此外，血管内皮细胞（VECs）的代谢记忆效应导致血管内皮生长因子（VEGF）信号通路异常，破坏了关键的"血管生成–骨生成偶联"过程。[10]、[11]、[12]具有单一功能特性的传统水凝胶无法满足糖尿病微环境中动态清除ROS的需求。[13]、[14]、[15]因此，开发能够有效逆转病理性ROS微环境的生物材料对于重新建立成骨–血管生成偶联并在糖尿病条件下实现功能性骨再生至关重要。

纳米酶是一类具有酶模拟催化活性的纳米材料，已成为氧化应激相关疾病的有前景的治疗剂。其中，氧化铈（CeO₂）纳米酶凭借其可逆的Ce³?/Ce⁴?氧化还原循环机制展现出独特的催化优势。[16]、[17]CeO?纳米酶具有超氧化物歧化酶（SOD）样[18]和过氧化氢酶（CAT）样活性，[19]能够高效催化转化ROS，从而缓解氧化应激引起的细胞损伤和免疫失调。[20]然而，一个根本性限制仍然存在：CeO?纳米酶的催化性能严格取决于表面氧空位的浓度，而通过传统合成方法产生的氧空位是静态且固定的。[21]、[22]一旦这些预存缺陷位点在催化反应中饱和或耗竭，类酶活性便迅速下降。这种"静态缺陷"特性[23]严重限制了传统CeO₂纳米酶应对复杂病理微环境中持续演变的ROS负荷的能力。因此，克服这一瓶颈需要从"静态缺陷"调控向"动态缺陷工程"[24]转变，通过氧空位的持续再生实现持久的催化活性。实现这一目标关键依赖于开发能够持续供电子的生物相容性功能基质的构建。

由结冷胶（GG）和羧甲基壳聚糖（CMCS）组成的天然多糖基水凝胶[25]可充当有前景的"电子供体储库"，能够为纳米酶提供稳定的电子源。具体而言，GG主要通过其羧基（-COO^-）和羟基（-OH）基团供电子。在碱性条件下，其供电子能力进一步增强，因为更多羧基以去质子化的-COO^-形式存在，导致电子云密度增加。[26]类似地，CMCS在碱性环境中也表现出强供电子性质：其氨基主要以游离-NH?基团形式存在，具有高供电子能力，[27]而去质子化的羧基进一步贡献于电子转移。然而，从多糖网络到CeO₂纳米颗粒的高效定向电子传输仍面临巨大的界面能垒。

为解决这一挑战，我们开发了一种智能生物材料，能够以类似"可充电电池"的方式在体内持续向CeO₂纳米酶供电子，从而实现氧空位的原位动态再生，并在较长时间内维持高催化活性。在本研究中，二甲氧基草酰甘氨酸（DMOG）[28]——一种细胞可渗透的小分子药物——被引入系统中。除了其传统生物学作用外，DMOG在此被提出作为"生物电子穿梭体"发挥功能。通过促进电子跨越界面能垒的高效传输，DMOG为电子从GG/CMCS基质向CeO₂纳米酶转移提供了稳定通路。传统上，DMOG因其上调VEGF表达、促进血管生成并间接促进骨再生的能力而备受关注。[29]然而，DMOG从组织工程支架的快速爆发式释放往往限制了其长期疗效。[30]为克服这一问题，DMOG被包封于水凝胶基质中以实现缓释。总之，所得的GG/CMCS/DMOG/CeO₂自供电水凝胶系统实现了材料设计与机制协同的统一。更重要的是，本研究提出了一种"小分子药物介导的界面电子桥接"新策略，以实现高效且持久的ROS催化清除，从而为糖尿病骨缺损微环境中的长期组织再生提供了有前景的治疗平台。

章节摘要

试剂

结冷胶（GG）、羧甲基壳聚糖（CMCS）和1,1-二苯基-2-三硝基苯基肼（DPPH）购自上海麦克林生化科技有限公司（中国）。二甲氧基草酰甘氨酸（DMOG）和氧化铈纳米颗粒（CeO₂ NPs）购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国）。碱性磷酸酶（ALP）检测试剂盒购自上海碧云天生物科技公司（中国）。DMEM/高糖培养基、茜素红S染色液（ARS），

GG/CMCS/DMOG/CeO₂水凝胶系统的设计策略

在本研究中，成功构建了基于GG/CMCS/DMOG/CeO₂的供电子水凝胶系统（图A1）。通过自组装和多重非共价相互作用，水凝胶形成了一个具有明确功能分区和动态再生能力的"三位一体"协同抗氧化平台。如图A2所示，GG/CMCS网络含有大量带负电荷的基团，作为"电子储库"，持续提供稳定的

结论

在本研究中，开发了一种供电子GG/CMCS/DMOG/CeO?水凝胶用于糖尿病骨缺损修复，该水凝胶集成了结构支撑、动态抗氧化调控和再生功能。互连的水凝胶网络提供了有利的多孔结构、吸水膨胀能力、可控降解行为和机械稳定性。在机制上，GG/CMCS基质作为电子储库，DMOG作为电子转移介质，CeO?纳米酶

动物受试者

本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。

本研究经新疆医科大学第一附属医院动物伦理委员会批准。

（批准号：IACUC-JT-20241121-02）

利益冲突

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

CRediT作者贡献声明

唐晓辉：方法学、数据整理。刘博：撰写–初稿、方法学、研究、数据整理、概念化。陆雄：方法学、研究。钟雨洋：研究、数据整理。冷小龙：方法学、数据整理。蒋莉莉：方法学、研究。王英博：撰写–审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、研究、资金获取、数据整理、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

王英博感谢国家自然科学基金（编号52362039）、新疆储能与光电催化材料重点实验室、天山人才培养计划（编号2023'TSYCCX0096）、新疆维吾尔自治区研究生教育创新项目（编号XJ2026G211）、新疆维吾尔自治区大学生创新训练项目（S202510762015）的资助。

刘博|唐晓辉|冷小龙|钟雨洋|王英博|蒋莉莉|陆雄