武汉大学AM：一种多维仿生级联骨修复策略

大范围骨缺损是威胁人类健康的重大医学难题，仿生构建适用于大范围不规则骨缺损修复的生物材料仍面临挑战。目前，基于胶原仿生矿化的骨修复策略取得了许多进展，但现有仿生矿化骨修复策略仍存在宏观机械强度不足、缺乏层级结构、矿化周期长、难以加工成型、与机体功能协同性欠佳等局限性。

针对上述局限性，受骨再生的动态生物矿化过程启发，武汉大学口腔医学院黄翠/杨宏业团队与武汉大学资源与环境科学学院陈朝吉团队通力合作，提出一种多维仿生级联修复的创新策略：通过将动态仿生矿化水凝胶与取向结构支架整合，构建具有成分仿生、结构仿生、性能仿生、生物过程仿生的多维仿生骨修复材料，为大范围骨缺损修复提供了新思路。相关工作以题为“Osteomimix: A Multidimensional Biomimetic Cascade Strategy for Bone Defect Repair”的论文发表在Advanced Materials上。该论文的第一作者为武汉大学吴小艺博士和杨宏业副教授。

Osteomimix仿生骨修复体系的设计思路如图1所示：首先揭示了自然界最丰富的生物高分子——纤维素衍生物对无定形磷酸钙镁矿化前体（AMCP）的稳定作用，证实甲基丙烯酸羧甲基纤维素钠（SCMA）稳定的AMCP（SCMA-AMCP）可介导胶原纤维内矿化。随后将SCMA-AMCP与甲基丙烯酰胺化I型胶原（ColMA）通过蓝光交联构建动态仿生自矿化凝胶（CS-AMCP）。分别使用氧化脱木素椴木（OW）作为天然来源取向结构支架，使用取向冷冻壳聚糖（Ch）作为人工合成取向支架，利用真空浸渍法将凝胶与取向支架进行整合，构建出多维仿生级联骨修复体系Osteomimix。该策略突破传统成分堆砌或结构仿生局限，深度模拟骨骼复杂生物过程、多级结构与多功能特性，为仿生骨修复提供全新范式。

图1 生物矿化启迪的多维仿生级联骨修复策略示意图

研究结果显示，Osteomimix具有仿生层级结构、卓越机械性能以及自发的动态矿化性能，通过CAD/CAM技术能够进行个性化形状定制加工。该策略不仅在微观及宏观层面高度模仿骨组织的物理结构，还重现了骨组织形成过程中的局部微环境，为组织再生提供多维引导。基于体内外实验验证，这种多维仿生级联修复策略能够有效促进骨修复过程，不仅促进以胶原为主体的细胞外基质的生物矿化，同时能够为细胞行为提供必要的理化线索，实现了“非细胞介导的（cell-free）”与“细胞依赖的（cell-dependent）”两种仿生矿化途径的有机整合。该仿生策略展示了对特定组织形成过程的深入理解如何指导设计更高效、仿生的生物材料，为仿生材料的构建提供了新思路。

图2 SCMA-AMCP矿化前体的构建与表征

图3 SCMA介导ColMA仿生矿化的表征及机制探究

图4 Osteomimix的构建与表征

图5 Osteomimix体外生物学效应研究

图6 Osteomimix在体内早期骨缺损修复中的生物学效应

图7 Osteomimix在体内远期骨缺损修复中的生物学效应

图8 Osteomimix促进骨缺损修复的生物学机制

主要作者介绍

吴小艺，博士，现就职于武汉大学口腔医学院。主要研究方向：基于仿生设计的硬组织修复材料构建及其机制研究。（本文第一作者）

杨宏业，武汉大学口腔医学院副教授、副主任医师、博士生导师。武汉大学-美国奥古斯塔大学联合培养博士。入选“武汉市中青年医学骨干人才”、“湖北省健康科普专家”。主要从事口腔硬组织仿生修复的科研工作和口腔美学修复的临床工作。近5年来，主持国家自然科学基金面上项目、青年项目、湖北省自然科学基金等多个科研项目，以第一或通讯作者在Adv Mater, Adv Funct Mater, ACS nano, J Dent Res等权威期刊发表SCI论文30余篇，曾获省科技进步二等奖，武汉大学青年教师教学竞赛一等奖。（本文第一作者）

陈朝吉，武汉大学资源与环境科学学院教授、博士生导师。主要从事生物质材料的多尺度结构设计、功能化及高值利用方面的研究。以第一或通讯作者在Nature、Science、Nat Rev Mater、Nat Sustain、Nat Commun等国内外著名学术期刊上发表SCI论文100余篇，总引用33,000余次，H因子99，45篇论文入选ESI高被引论文，14篇（曾）入选热点论文。获科睿唯安“全球高被引科学家”、斯坦福大学“全球前2%高被引科学家”终身影响力榜单、麻省理工科技评论亚太区“35岁以下科技创新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖”、“中国新锐科技人物卓越影响奖”、阿里巴巴达摩院“青橙优秀入围奖”、“Advanced Science青年科学家创新奖”、“R&D 100 Awards”等荣誉。（本文通讯作者）

黄翠，武汉大学口腔医学院二级教授、一级主任医师、博士生导师。武汉大学珞珈特聘教授。中华口腔医学会口腔美学专委会候任主任委员，中华口腔医学会口腔修复专业委员会副主任委员。主持获得湖北省科技进步一等奖、湖北省教学成果一等奖。获评“湖北省医学领军人才”，中华口腔医学会首届“口腔医疗科技创新人物”。主持国家自然科学基金，教育部重点科技项目、湖北省科技创新重大项目、湖北省自然基金重点项目等多个项目，主编和参编人民卫生出版社教材4本。主要研究方向为牙齿美学修复和口腔生物材料，在Adv Mater, Mater Today, ACS Nano, J Dent Res等权威SCI期刊发表论文90余篇，担任口腔领域期刊J Prosthodont Res编委。（本文通讯作者）

文章信息

Wu X#, Yang H#, Liu G, Sun W, Li J, Zhao Y, Gao X, Liu X, Song F, Wang S, Lu Z, Chen C*, Huang C*. Osteomimix: A Multidimensional Biomimetic Cascade Strategy for Bone Defect Repair. Adv Mater. 2025 Feb 9:e2416715.

Doi: 10.1002/adma.202416715.

来源：高分子科学前沿

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