《International Journal of Nanomedicine》：How Emerging Nanomaterials are Effective in Bone Regeneration?
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骨缺损由于微环境破坏和免疫失衡而持续构成临床挑战。传统移植物虽能提供结构支撑，但无法主动调节这一病理微环境。本综述聚焦用于骨再生的智能纳米材料储库，重点阐述其重塑不利微环境与恢复免疫稳态的能力。本文识别出关键病理生理屏障——包括血管破坏、巨噬细胞失衡以及氧化应
骨缺损由于微环境破坏和免疫失衡而持续构成临床挑战。传统移植物虽能提供结构支撑，但无法主动调节这一病理微环境。本综述聚焦用于骨再生的智能纳米材料储库，重点阐述其重塑不利微环境与恢复免疫稳态的能力。本文识别出关键病理生理屏障——包括血管破坏、巨噬细胞失衡以及氧化应激诱导的铁死亡（ferroptosis）——作为治疗靶点。此外，本文对基础纳米尺度构筑单元（刚性无机材料、聚合物及无机压电材料）进行了批判性比较，并扩展关注了新兴技术，如多功能纳米纤维（nanofibers）和可三维打印的生物墨水（bio-ink）制剂。这些组件可组装成智能储库（水凝胶、外泌体和三维支架），实现刺激响应性治疗递送（响应pH、活性氧（reactive oxygen species, ROS）和酶）。通过重编程细胞间通讯并促进M1向M2巨噬细胞极化，这些储库恢复骨免疫稳态，并耦合成骨与血管生成。最后，本文讨论了向动态自适应纳米药物转化所面临的挑战及未来方向。
主体内容总结
**引言**
骨是人体骨骼系统的关键组成部分，提供机械支撑并保护内脏器官。然而，严重的局部感染、肿瘤性疾病、创伤性损伤和代谢性骨病等病理状况常破坏骨组织的完整性。临界尺寸骨缺损（critical-sized bone defects）指自发愈合根本受损的骨空隙，天然修复机制仅能恢复不足10%的原始骨体积，常导致持续性骨不连。传统干预主要依赖自体或异体骨移植，但受限于供体可获得性、取骨部位手术复杂性及术后并发症风险。金属植入物存在应力屏蔽、缺乏内在骨诱导性及腐蚀相关金属离子释放等问题。孤立基因治疗和重组生长因子递送虽显示出实验前景，但受生物安全性顾虑和过高治疗成本限制。纳米技术的应用为骨组织工程（bone tissue engineering, BTE）提供了新策略。治疗性纳米材料（nanoparticles, NPs）尺寸在10至100 nm之间，能够模拟天然骨组织的层级结构，并在分子水平与细胞组分相互作用。将刚性无机纳米材料、聚合物和金属压电材料整合至超分子系统中，可将被动填充物转变为响应性“智能储库”。电纺纳米纤维和三维（3D）生物打印功能性生物墨水亦成为不可或缺的建筑构件。然而，骨再生不仅需要结构支撑，局部病理微环境在愈合中起主导作用，其特征为缺血、过度炎症和氧化应激。本综述聚焦利用智能纳米材料储库主动重塑不利微环境以增强骨修复，特别关注其治疗功能和骨免疫调节特性，包括清除ROS、中和pH及促进M1向M2巨噬细胞极化。
**病理屏障：骨再生中的关键障碍**
**血管破坏如何损害愈合级联反应**
生理性骨再生经历炎症、修复和重塑等重叠阶段。严重创伤导致血管和神经损伤，引起局部缺氧和营养缺乏。骨细胞-血管相互作用在修复早期至关重要。凋亡骨细胞和浸润免疫细胞需分泌浓缩的促血管生成因子（如VEGF和富含半胱氨酸的血管生成诱导因子61，CYR61）以重建血管网络。然而，近期证据挑战了血管生成与成骨直接耦合的观点。抑制内皮Notch信号（Dll4缺失）使血管密度增加1.9倍但不影响骨愈合；VEGF-A过表达使血管面积增加1.6倍却未能增强颅骨再生。这表明功能性血管传递成骨信号比血管密度更关键。
**巨噬细胞极化对免疫平衡的关键作用**
巨噬细胞极化决定再生结局。愈合过程中，巨噬细胞从促炎（M1）表型转向抗炎促修复（M2）表型。持续M1过度激活维持细胞毒性环境，导致慢性骨不连；而过早或过度M2活性可诱导病理性纤维组织。小鼠颅骨缺损模型分析显示，成功愈合的支架在早期（第3–7天）表现出从M1向M2的协同基因表达转变，而对照组持续M1优势；第12周时，成功再生组M2/M1比值较骨不连对照组提高5.4倍。纳米结构生物材料可通过调节NF-κB、MAPK、PI3K-Akt和JAK-STAT等免疫通路改变巨噬细胞极化。
**代谢和肿瘤微环境如何破坏再生**
糖尿病等慢性代谢性疾病中，过度ROS积累损害迁移MSCs的成骨分化并加剧组织破坏。高血糖驱动的ROS过度产生通过抑制缺氧诱导因子-1α和VEGF信号轴，损害成骨细胞功能并破坏成血管-成骨耦合。骨质疏松症中，病理性微环境以过度破骨细胞介导的骨吸收和受抑制的成骨细胞功能为特征。铁死亡是一种铁依赖性、脂质过氧化驱动的细胞死亡形式，通过转铁蛋白受体1促进Fenton反应生成羟基自由基，消耗谷胱甘肽并使谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）失活，导致脂质过氧化物积累，选择性耗竭成骨细胞。糖尿病小鼠模型证实GPX4下调、PTGS2上调及丙二醛升高，靶向铁死亡轴是骨质疏松和糖尿病骨缺损的潜在治疗策略。肿瘤场景中，播散肿瘤细胞分泌甲状旁腺激素相关蛋白（PTHrP），刺激成骨细胞上调核因子-κB受体活化因子配体（RANKL），激活破骨细胞，释放骨基质中固定的TGF-β、胰岛素样生长因子和骨形态发生蛋白（BMPs），反过来促进肿瘤增殖，形成骨破坏与肿瘤扩张的“恶性循环”。
**纳米材料作为构筑单元的作用**
为系统概述，骨再生纳米材料分为刚性无机纳米材料、聚合物纳米材料和无机压电纳米材料三类，并总结了关键理化性质、作用机制、优势和局限性。此外，电纺纳米纤维因其高表面积-体积比和互连孔隙率，模拟天然胶原细胞外基质（ECM）的层级结构，提供拓扑信号调控干细胞伸长和成骨分化。3D生物打印推动了功能性生物墨水的发展，例如纳米纤维素和甲基丙烯酰化明胶基生物墨水具有优异的剪切稀化特性，可实现精确空间打印并保持机械保真度。
**纳米复合物与智能储库在骨再生中的应用**
**模拟骨结构**
骨组织是由无机羟基磷灰石（HAP）晶体嵌入有机胶原纤维基质组成的层级复合材料。仿生矿化策略可在模拟生理条件下于胶原模板上形成HAP。利用甲壳素和壳聚糖晶须的液晶相可模拟天然骨的致密胶原网络；将液晶水凝胶整合至3D打印聚(L-乳酸)框架中，所得层级纳米复合物能承受机械载荷并提供优化3D微环境，支持细胞增殖和成骨-成血管耦合。
**纳米骨糊**
临床缺陷常呈不规则几何形状，预成型植入物难以与宿主组织充分接触。无支架钙纳米材料可制成可注射纳米糊或水性纳米悬浮液，具有高载药量、可体内代谢和快速原位溶解动力学特性。将CaP纳米晶体包覆核酸（DNA），注射后细胞摄取并释放DNA刺激BMP-7和VEGF-A生成，促进血管化骨再生。碱性纳米沉淀物可中和过度破骨细胞产生的酸性微环境。
**纳米水凝胶作为智能储库**
孤立纳米颗粒和游离生物囊泡直接给药受生理屏障限制，常引发免疫排斥或突释。将纳米治疗剂整合至水凝胶基质中，可形成局部“智能储库”，调节释放动力学并提供结构稳定性。明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶因可调机械性能、光交联性和RGD细胞黏附序列受关注。温敏羟丁基壳聚糖水凝胶在室温为流体，体温下发生溶胶-凝胶转变，形成稳定多孔3D矩阵。贻贝启发黏附水凝胶负载阿仑膦酸介孔二氧化硅纳米颗粒，可持续共释放硅离子和阿仑膦酸，引导巨噬细胞从M1向M2极化。
**外泌体作为生物载体**
外泌体是30–150 nm的天然胞外囊泡，携带脂质、microRNAs和成骨生长因子。脂肪干细胞来源外泌体通过miR-451a靶向巨噬细胞迁移抑制因子（MIF），抑制M1通路并促进M2极化。植物来源外泌体（P-Exos）规避哺乳动物来源的产量低和伦理问题。淫羊藿来源外泌体负载于GelMA水凝胶促进MC3T3-E1前成骨细胞增殖和矿化结节形成；芹菜来源外泌体样纳米颗粒通过PI3K/LDHA通路诱导糖酵解，加速小鼠颅骨缺损再生。
**人工智能辅助3D打印支架**
人工智能（AI）和机器学习（ML）用于优化支架内纳米材料分布和预测释放动力学。AI驱动生成设计算法可计算最佳孔隙率、互连性和应力分布。基于有限元仿真训练的神经网络可从几何特征预测支架刚度和孔隙率，实现逆向设计。结合有限元分析和人工神经网络的混合方法可将3D打印支架弹性模量预测相对误差降至5%以下。智能形状记忆聚合物和光固化甲基丙烯酰树脂使支架响应体温或pH变化动态改变几何形态。pH响应水凝胶与3D打印框架整合的双免疫调节骨支架（DIBS）实现巨噬细胞和MSCs的序贯调节。
**电纺纳米纤维作为架构支架**
电纺纳米纤维复制天然胶原ECM的各向异性拓扑信号。取向纤维拓扑通过Rap1/YAP通路促进BMSCs成骨分化，仿生骨膜ECM/PCL取向纤维膜激活ITGB1/PI3K/AKT通路。取向电纺支架抑制LPS诱导的M1极化并促进M2表型。通过气体发泡制备的锶纳米颗粒3D支架（3DS-Sr）持续释放Sr2?，下调M1活性，通过HIF-1α/ERK促进血管生成，经Wnt/β-catenin促进成骨。
**3D可打印生物墨水用于个性化再生**
3D生物打印实现细胞和生物材料的患者特异性沉积。热可逆离子-共价缠结（TRICE）生物墨水（明胶和κ-卡拉胶）模拟骨ECM，细胞活力>92%，与磷酸钙墨水结合时压缩模量约33.2 MPa。纳米材料整合赋予刺激响应功能：含2%（w/v）UiO-66 MOF纳米晶的海藻酸盐/甲基纤维素生物墨水上调Runx-2、COL-I、OCN表达，并通过UiO-66多孔结构清除ROS。浓度优化至关重要：GelMA/明胶/纳米纤维素生物墨水中，1%（w/v）纳米羟基磷灰石支持成骨蛋白产生，而5%（w/v）损害光交联并降低细胞活力。原位生物打印在活体兔颅骨临界缺损中成功实现骨再生。丝素-明胶生物墨水激活经典Wnt/β-catenin和Indian hedgehog通路。
**智能储库在骨再生中的释放机制**
**pH刺激响应释放**
病理骨缺损（细菌感染或肿瘤相关）呈现局部酸化。pH响应储库利用该特征触发释放。钙基纳米材料作为碱性沉淀物可中和酸性微环境。研究者开发了基于pH敏感沸石咪唑框架的可吸收引导骨再生膜（PCL/DEX@Ca-Zol），在酸性条件下释放钙离子、唑来膦酸和地塞米松，协同调节骨微环境。
**ROS刺激响应释放**
糖尿病等代谢疾病中，骨愈合微环境存在缺氧和过量ROS。水凝胶网络清除ROS时发生控制性结构降解，释放修复因子，并诱导CD206阳性M2巨噬细胞增加。双金属金属有机框架衍生纳米酶（含阿仑膦酸和Mg2?）通过Mn掺杂优化Co?O?电子构型，增强超氧化物歧化酶和过氧化氢酶样活性，负载于葡萄糖响应硼酸酯水凝胶中，在糖尿病大鼠中促进颅骨缺损再生。
**酶刺激响应释放**
酶响应架构根据组织再生阶段的病理变化动态响应。基于点击化学的纳米树枝状聚合物可生物降解支架，其聚磷酸酯主链可被骨形成期上调的碱性磷酸酶（ALP）特异性切割，确保降解与新生组织同步。透明质酸基水凝胶微球负载ZnO纳米颗粒，在透明质酸酶存在下增强抗菌肽释放，对金黄色葡萄球菌有效，促进成骨和血管生成。
**智能储库如何影响骨免疫调节与骨稳态**
**巨噬细胞极化**
BTE成功不仅取决于直接成骨能力，还依赖局部免疫微环境协调调节。氯膦酸盐脂质体精确清除急性炎症期过度活跃的M1巨噬细胞，保留早期成骨和血管生成的细胞因子协调。外泌体释放水凝胶通过miR-451a靶向MIF促进M1向M2极化，在大鼠颅骨缺损中实现95%缺损覆盖率。钙铝层状双氢氧化物纳米片负载钙黄绿素，中和局部酸性并通过c-Maf信号诱导M2极化，促进IL-10和TGF-β分泌，募集调节性T细胞，抑制TH17炎症；在骨质疏松大鼠中将BV/TV从6.2%提高至10.7%。
**重编程细胞间通讯**
骨重塑依赖破骨细胞骨吸收和成骨细胞骨形成之间的动态平衡，由骨髓微环境中骨骼细胞、免疫群体和血管组分协调维持。骨髓MSC来源外泌体作为细胞间通讯介质，转运蛋白质、脂质和核酸至靶细胞，参与免疫调节、成骨-成血管耦合和破骨-成骨平衡。Krt14?Ctsk?骨膜细胞来源外泌体促进BMSCs成骨分化和内皮细胞血管生成。包封于可降解聚合物或超分子水凝胶中，这些外泌体和工程纳米颗粒同时靶向内皮细胞和成骨祖细胞，刺激成骨-成血管耦合。铜和锰掺杂硼硅酸盐纳米颗粒增强干细胞成骨分化自主调节并促进内皮祖细胞增殖。
**未来展望**
先进纳米材料的临床转化受长期生物相容性和全身毒性顾虑限制。纳米颗粒的生物安全特征由核心尺寸、形态、表面电荷和生理液体中聚集状态等理化性质决定。表面工程策略可掩蔽反应性纳米颗粒核心，降低免疫识别同时保持疗效。发展趋势包括诊疗一体化纳米平台，结合诊断成像和治疗于单一构建体，通过荧光团、磁性涂层或生物发光标记监测生物分布和降解。未来将优先发展针对患者病理微环境和遗传景观的个性化纳米药物。总之，纳米材料储库——从3D生物打印生物墨水、结构纳米纤维到刺激响应纳米水凝胶——代表深刻范式转变，通过编排“免疫对话”和纠正代谢失调，弥合早期炎症消退与长期成熟骨基质形成之间的生理鸿沟，解决标准化制造、临床追踪和长期生物安全验证等挑战后，有望进入临床实践，实现临界骨缺损的功能性再生。
