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  基于骨水泥的微創再生療法在骨缺損修復領域具有重要應用價值。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和磷酸鈣骨水泥（CPC）是最常見的兩種骨水泥。然而，PMMA骨水泥存在不可降解、不可吸收，以及在體內凝固時放熱過多等固有缺陷。盡管CPC的成分與天然骨相似，但其力學性能較差、易潰散等缺點限制了實際應用。且這些可注射型骨水泥通常缺乏孔隙率，不利于細胞和血管的長入從而影響骨修復效果。近年來，微球化骨修復材料因其獨特的優勢備受關注。微球化骨水泥能夠以最小侵入創口填充任何幾何形狀的缺損，并且自然堆疊的微球之間會形成微米級的孔隙。這些孔隙為內源性細胞提供了遷入和營養代謝的通道，同時有助于血管網絡的形成。然而，現有單一組分體系如水凝膠或磷酸鈣微球難以實現理想的骨修復效果。

  近日，華東理工大學劉潤輝教授課題組設計了一種用于骨修復的仿生海藻酸鈉/α-TCP有機-無機互穿網絡微球。該研究選用α-磷酸三鈣（α-TCP）作為無機組分，因其水合反應可在生理pH值條件下進行；且其水解生成的缺鈣羥基磷灰石（CDHA）在晶體結構、化學組成和形態特征上與天然骨礦物更為接近。同時選用具有安全無毒的海藻酸鈉（Alg）作為有機組分。值得注意的是，α-TCP釋放的Ca²⁺不僅能促進缺損部位的礦化過程，還可作為海藻酸鈉凝膠化的可靠鈣源，從而確保復合材料的穩定性。該研究通過一步離心法制備了粒徑均一可控的Alg/α-TCP復合微球，該微球具有天然骨相似的有機-無機互穿網絡結構（圖1b）。為進一步模擬細胞外基質（ECM）蛋白中的細胞粘附位點，該研究采用近期發現具有促進細胞粘附功能的陽離子-兩親性β-氨基酸聚合物DbaYKY-DM₅₀CO₅₀對微球表面進行修飾。體外實驗表明，經修飾的Alg/α-TCP復合微球能有效支持細胞粘附、增殖，并實現一體化的細胞凍存、復蘇與擴增。在大鼠股骨缺損模型中，該微球展現出優異的骨修復效果。

  2025年11月2日，該研究成果以“Bioinspired Alginate/α-TCP Organic-Inorganic Interpenetrating Network Microspheres for Bone Repair”為題發表在Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202524421）

圖1：雙仿生Alg/α-TCP復合微球

  該研究在800和1200 rpm兩個轉速下制備了不同α-TCP含量的Alg/α-TCP復合微球。白場顯微圖片和粒徑定量分析表明相比于800 rpm，1200 rpm下四種不同α-TCP含量的復合微球粒徑從422 ± 15 μm下降到370 ± 36 μm，且微球形狀更接近球型。之前的研究表明粒徑在100-400 μm下微球為細胞提供了充足的黏附空間有利于細胞鋪展。因此，該研究選擇1200 rpm作為后續制備復合微球的條件。（圖2）

圖2：Alg/α-TCP復合微球的制備

  為了評價Alg/α-TCP復合微球的韌性，該研究對純α-TCP、純Alg和不同α-TCP含量的復合樣品進行穿刺測試，實驗結果表明加入Alg的復合片狀樣品韌性顯著提高。掃描電子顯微鏡（SEM）表明純的海藻酸鈉水凝膠表面光滑，隨著α-TCP含量的增加，α-TCP顆粒出現在海藻酸鈉網絡中且分布愈發致密。能量散射光譜（EDS）結果表明α-TCP均勻分布在海藻酸鈉網絡上且Alg和α-TCP形成有機無機互穿網絡結構。并且X射線衍射（XRD）結果表明無定形海藻酸鈉的加入并沒有改變α-TCP的化學結構。（圖3）

圖3：Alg/α-TCP復合微球的表征

  為了賦予復合微球生物活性，該研究利用之前報道的正電荷-疏水性兩親性β-氨基酸聚合物DbaYKY-DM₅₀CO₅₀去模擬天然細胞黏附肽。通過將復合微球一步浸入DbaYKY-DM₅₀CO₅₀溶液中實現表面改性，熒光胺測試和X射線光電子能譜（XPS）結果表明DbaYKY-DM₅₀CO₅₀的成功修飾。將前成骨細胞MC-3T3-E1與復合微球共培養，實驗結果表明，未改性的復合微球幾乎不支持細胞黏附，而DbaYKY-DM₅₀CO₅₀改性的復合微球可有效支持細胞黏附。細胞骨架染色結果表明0.5 A/T@Pol微球表面細胞可以充分鋪展并且有著清晰的細胞骨架。細胞增殖實驗結果表明該組復合微球可有效支持前成骨細胞增殖。（圖4）

圖4：DbaYKY-DM₅₀CO₅₀修飾的Alg/α-TCP復合微球的細胞黏附和增殖性能

  由于復合微球的高比表面積，復合微球可用于一體化的細胞擴增、凍存和復蘇。當復合微球上的細胞融合率達到80-90%時加入相同數量的新復合微球為細胞擴增提供更多空間。實驗結果表明，細胞逐漸遷移至新加入微球表面并持續增殖，到第7天時已實現近乎完全的表面覆蓋。將0.5 A/T@Pol復合微球與細胞一起進行冷凍-復蘇處理，經過凍融循環后，細胞活性在復蘇首日降至凍存前水平的43%，但至第3天時已恢復至98%。（圖5）

圖5：DbaYKY-DM₅₀CO₅₀修飾的Alg/α-TCP復合微球的一體化擴增、凍存和復蘇

  為了評價復合微球在體內的骨修復效果，該研究采用注射器將三種微球（Alg微球、0.5 A/T復合微球及0.5 A/T@Pol微球）分別植入大鼠股骨髁缺損模型，并于8周后評估骨修復效果。Micro-CT結果顯示0.5 A/T及0.5 A/T@Pol組有更多的新骨生成。HE染色結果表明，Alg組微球仍保持相對完整的結構，與周圍組織界限清晰。0.5 A/T組微球呈現部分降解且邊界模糊，可觀察到少量細胞浸潤，這表明與純Alg組相比，α-TCP的摻入賦予復合微球更優異的骨傳導性與骨誘導性。而0.5 A/T@Pol組則展現出廣泛的細胞長入，同時有新骨基質形成。（圖6）

圖6：Alg/α-TCP復合微球的體內骨修復

  華東理工大學研究生竇蒙悅是該論文的第一作者，劉潤輝教授和陳琦特聘副研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委、材料生物學與動態化學教育部前沿科學中心等基金的資助。

  論文鏈接：http://doi.org/10.1002/adfm.202524421