生物材料介导的血凝块形成：解锁骨再生成骨协同效应的关键

《Bone Research》：Biomaterial-mediated blood clot formation: a key to unlocking osteogenic synergy for bone regeneration

　　

骨出血因其高发病率和死亡率而构成严峻的临床挑战。自体凝血形成的血凝块既能止血，又能为骨修复提供天然支架。血凝块的动态形成与溶解维持着止血与再生之间的微妙平衡。血凝块的结构和细胞因子组成在指导骨修复中发挥关键作用。这些见解启发了利用工程化生物材料调控血凝块行为的仿生策略，这也是设计将止血与成骨相整合的骨替代系统的核心主题。本综述重点阐述了骨创伤后血凝块的形成过程，以及细胞因子介导的信号传导对骨修复的贡献。特别强调了生物材料植入物如何通过其物理化学性质（如化学组成、结构特征、亲水性和表面电荷）调节血凝块功能。此外，本综述还探讨了血凝块在骨损伤早期阶段的作用，并讨论了旨在优化凝血控制和成骨作用的材料的合理设计原则。总体而言，本综述重新将血凝块定义为创伤的被动副产物，而是生物材料无缝融合止血与成骨的界面，为构建既能止血又能程序化促进稳健骨修复的多功能骨替代系统提供了路线图。

主体内容总结

血凝块形成与机制

血凝块形成与止血

骨创伤部位的凝血是骨修复的起始步骤，可维持体内稳态并避免因氧气和营养供应不足导致的骨缺损端坏死。血凝块在骨创伤碎片与血管损伤之间形成关键的连接与稳定作用，对于协调即时反应和促进组织修复至关重要。该过程涉及不稳定的血小板聚集体向稳定的纤维蛋白网络的转化。纤维蛋白网络为细胞粘附和功能提供机械锚定和微环境。近期研究表明，骨创伤部位血凝块的结构特性能够影响骨再生。

骨创伤后最初几分钟内血凝块的快速形成主要涉及三个事件：血管收缩、导致血栓形成的血小板聚集以及纤维蛋白凝块形成。

血管收缩

生理性止血始于损伤部位及其周围小血管发生血管收缩，从而减少局部血流。血流减少有利于血小板血栓的形成，进一步促进止血。同时，受损区域暴露的胶原蛋白促进血小板粘附。血小板聚集触发5-羟色胺（5-HT）和血栓素A2（TXA2）的释放，两者均进一步促进血管收缩并减缓血流以利于血栓形成。

血小板聚集与血栓形成

血凝块中的主要血细胞类型包括红细胞（95%）、血小板（<5%）和白细胞（<1%）。尽管仅占血细胞的5%，血小板通过释放促血管生成和成骨生长因子在止血中发挥重要作用。血管损伤后，皮下胶原蛋白的暴露激活血小板，释放化学信号。由血管性血友病因子（vWF）介导的血小板粘附有助于识别损伤部位，实现精确的血栓定位。活化血小板表面暴露带负电的磷脂，促进多种凝血因子的共定位与激活，导致凝血酶原复合物的形成，放大凝血酶的产生，进而将纤维蛋白原转化为可溶性纤维蛋白。活化的因子XIIIa（FXIIIa）进一步将纤维蛋白交联成生物聚合物网络，通过固定血小板和其他血液成分来稳定血凝块。被捕获的血小板释放大量生长因子、细胞因子、趋化因子及其他信号分子，调节伤口愈合的炎症阶段。更重要的是，活化血小板及其释放的物质能够刺激成骨细胞的增殖与迁移。

纤维蛋白凝块形成

血小板血栓形成之后是继发性止血，在此过程中凝血级联反应被激活，将不稳定的纤维蛋白原转化为稳定的纤维蛋白网络，形成固定在损伤部位的血凝块。凝血级联可分为内源性途径和外源性途径，两者汇聚形成血凝块并加强初级止血。内源性途径由凝血因子XII（FXII）与带负电表面结合而激活；外源性途径则由组织因子（TF）触发。两条途径汇入共同通路，因子Xa（FXa）裂解凝血酶原形成凝血酶，凝血酶催化纤维蛋白原转化为纤维蛋白单体，在钙离子（Ca²⁺）和磷脂（PL）存在下交联成稳定的纤维蛋白网络。纤维蛋白凝块的网状结构通过其结构框架和内部包封的因子在止血和组织修复中发挥关键作用。具有高机械强度、高密度和高抗纤溶性的致密纤维蛋白网络表现出低孔隙率和延迟降解，可能阻碍细胞迁移而不利于骨再生；而过稀疏的网络则可能无法为细胞粘附提供足够支撑。因此，具有适当密度和降解速度的理想纤维网络对于止血和早期组织修复至关重要。

血凝块中的细胞因子

骨创伤中的血凝块与软组织中的不同，它们不仅防止失血，还启动再生。血凝块中包含凝血组分、免疫介质以及成骨/血管生成调节因子，共同协调修复过程。血凝块中的细胞因子主要分为三类。血管损伤后，血小板迅速与细胞外基质（ECM）蛋白相互作用，释放一系列凝血相关因子，促进血管收缩、凝血酶和纤维蛋白形成以及抑制纤溶。此外，血小板还通过分泌抗菌肽和蛋白质直接参与免疫应答。除了止血和免疫调节作用，血小板还是支持骨再生的生长因子的主要储存库，包括血小板衍生生长因子（PDGF）、血管内皮生长因子（VEGF）、转化生长因子-β1（TGF-β1）、碱性成纤维细胞生长因子-2（FGF-2）、胰岛素样生长因子-I（IGF-I）等，它们刺激未分化间充质细胞和成骨细胞的增殖与分化。白细胞相关因子是另一类重要的细胞因子，中性粒细胞和单核细胞来源的巨噬细胞通过释放细胞因子和生长因子调节细胞迁移、增殖、胶原合成和血管生成。骨骼干细胞（SSCs）能够分化为成骨细胞、软骨细胞等，其向血凝块的募集受炎性细胞因子和血小板衍生生长因子的调控，并通过分泌多种因子诱导成骨和成软骨分化。

材料-血液界面的初始反应与血凝块形成的启动

止血材料与血液在材料-血液界面的相互作用是启动血凝块形成的关键步骤。当止血材料与血液接触时，血浆蛋白在材料表面的吸附是首要关键事件。随后，血小板被吸引至材料表面并粘附活化，表达促凝血因子。血浆蛋白吸附和随后的血小板活化共同触发凝血级联反应，最终导致纤维蛋白原转化为纤维蛋白。

血液-材料相互作用

生物材料的表面特性影响其与血液的相互作用，包括血液亲和力、蛋白质吸附和血小板活化。材料在纳米和微米尺度上的表面粗糙度和形貌会影响血液相容性，粗糙表面可能导致更强更快的血液凝固。亲水性是控制血液-材料相互作用的另一个主要因素，亲水界面可通过吸水加速凝血。然而，疏水的微纳结构也显示出止血潜力，例如超疏水碳纳米纤维（CNFs）能在减少血液润湿的同时实现快速凝血。材料与血液的相互作用会导致血小板、红细胞和白细胞的改变，血浆中活化产物的产生，以及蛋白质和细胞在材料表面的沉积。生物材料基于表面的疏水/亲水性质以及电荷分布来影响初始蛋白质层的组成、数量和构象。纤维蛋白（原）和纤连蛋白与血凝块结构和稳定性尤为相关。材料性质关键地调控纤连蛋白的吸附，从而调节凝血的启动。此外，表面修饰可促进特定肽序列的暴露，直接参与凝血过程。血小板是血管损伤的第一响应者，在信号转导、止血、炎症、伤口愈合和组织再生中发挥关键作用。材料基策略促进精确的血小板聚集和激活在骨相关出血管理中尤为重要。天然来源的材料如胶原蛋白、藻酸盐、壳聚糖和沸石等通过不同的机制促进血小板聚集和活化。研究表明，表面形貌在血小板活化中比化学成分更关键，而表面正电荷越强，活化响应越强烈。在实际生物材料中，表面粗糙度、润湿性和电荷效应是耦合的，共同决定血凝块行为。

材料调控纤维蛋白凝块稳态的机制

纤维蛋白凝块的形成标志着止血过程的完成，维持其力学完整性对于持续止血和防止再出血至关重要。一旦出血得到控制，机体通过组织型纤溶酶原激活剂（tPA）和尿激酶型纤溶酶原激活剂（uPA）启动纤溶系统。纤溶系统受到激活剂、抑制剂和抗纤溶蛋白的严格调控，其失衡可能导致过度纤维蛋白存留或过早凝块溶解。生物材料不仅能触发促凝血反应，还能主动调节纤溶过程。纳米颗粒的大小、表面化学和稳定剂可同时发挥促凝血和抗凝血作用。总之，生物材料通过对纤维蛋白组装、血小板-纤维蛋白相互作用、FXIIIa介导的交联以及纤溶动力学的协调控制来调节纤维蛋白凝块稳态，这对于实现快速止血同时保留适合后续重塑和骨再生的允许性凝块生态位至关重要。

用于成骨作用的凝块调节生物材料策略

血凝块对骨修复的影响

骨在损伤后具有自我修复的内在能力。血凝块具有双重功能：作为骨骼干细胞（SSCs）增殖和分化的物理支持，以及作为多种生长因子的临时储库以促进骨再生。血凝块中的生长因子在促进成骨软骨细胞增殖分化及血管生成中发挥核心作用。近年来，非侵入性治疗如声波、电磁场、机械刺激和光生物调节（PBM）已被探索用于优化血凝块功能并加速骨缺损修复。

生物材料对血凝块形成的调控

血凝块是一个具有指导性的活性生物生态位，而非凝血的被动副产物。通过协调血凝块的结构、生化组成和功能特性，生物材料可以进一步增强其成骨潜力，克服天然凝块介导修复的内在生理限制。目前已经发展了三代骨替代生物材料。虽然大量研究关注材料对骨细胞和骨组织的调控作用，但很少有研究关注组织工程材料如何影响临界尺寸骨缺损中血凝块的质量。事实上，不同材料的形态、粗糙度、亲水性和pH值会显著改变血液中细胞、因子和蛋白质的数量与功能。利用生物材料增强血凝块功能并改善骨植入物的生物学效应是未来研究的一个有前景的方向。许多金属和无机材料已被用于传统支架/植入物的设计和制造，如钛（Ti）基合金、镁及其合金、羟基磷灰石（HAp）和磷酸三钙（TCP）等，它们通过各自的性质影响血凝块形成和骨再生。