天津大学AFM：珊瑚启发的多孔骨粘合剂

近日，天津大学刘文广教授、崔春燕副研究员联合医学院杨强主任医师团队开发了一种受珊瑚骨架形成机制启发的生物活性骨粘合剂（CSIBA）。该粘合剂通过模拟珊瑚生物矿化过程中的原位成孔机制，显著促进了骨折修复中的细胞浸润和微环境调控，为骨科手术提供了革命性的解决方案。相关论文以“Coral-Inspired Bioactive Porous Adhesive for Fractured Bone Repair”为题，发表在《Advanced Functional Materials》。

传统骨粘合剂的局限与创新设计

传统骨粘合剂因缺乏多孔结构，难以支持骨细胞向内生长，且无法调控损伤部位的氧化应激和感染微环境。研究团队从珊瑚骨架的形成过程中获得灵感，利用聚硫辛酸（PolyLA）和生物活性玻璃（BG）构建了一种新型复合粘合剂。BG在体液中矿化形成羟基磷灰石，其弱碱性促使PolyLA网络部分解离，形成多孔结构并释放活性分子，从而模拟珊瑚骨架的天然成孔机制。

图 1. 受珊瑚骨骼机制启发的 CSIBA 骨粘合剂的制备和应用过程示意图。

图 2. 通过加热包含 LA、LA-Na 和 BG 的混合物合成 CSIBA

材料特性与生物活性

CSIBA通过简单的一步加热法制备，具有优异的机械性能和粘附强度。实验显示，含20% BG的粘合剂（CSIBA-20）拉伸强度达0.47 MPa，较无BG粘合剂提升近4倍，且对骨组织的粘附强度达411 kPa。此外，BG的加入显著提升了粘合剂的原位成孔能力，形成的多孔结构促进了骨细胞的迁移和增殖。释放的硫辛酸（LA）活性分子具有抗氧化、抗菌和抗炎功能，能有效清除活性氧（ROS）并抑制细菌感染，抗菌效率达80%以上。

图 3.具有不同成分的 CSIBA 的拉伸强度和粘接强度评估

图 4.a） CSIBA-0、CSIBA-5 和 CSIBA-15 在 SBF 中浸泡前后的SEM图像、FTIR 光谱、XPS 测量光谱;以及CSIBA 胶粘剂的原位成孔机制和微环境调节机制图示

图 5.a） CSIBA-0 和 CSIBA-15 在不同持续时间下 SBF 中的单体释放动力学分析;b） LA-Na 与 CSIBA-0 和 CSIBA-15（使用 D2O 作为溶剂）的 1H NMR 谱图比较;c） 评估不同成分的 CSIBA 在不同时间点对 DPPH 自由基的清除作用 （n = 3）;d） 评价各种组成的 CSIBAs 对 OH·0.5 h 时的自由基 （n = 3）;e） 具有不同成分 （10 mg mL-1） 的 CSIBA 的血液相容性评估;（f） 24 小时时不同成分的 CSIBA 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的代表性抗菌效果的视觉表示;g） 不同成分的 CSIBA 对 24 时大肠杆菌的杀菌效率 （n = 3）;h） 不同成分的 CSIBAs 在 24 小时 （n = 3） 时对金黄色葡萄球菌的杀菌效率。

促进骨再生的分子机制

研究发现，CSIBA通过激活MAPK、钙离子和胰岛素信号通路，显著促进成骨分化。体外实验表明，CSIBA-15处理的MC3T3-E1细胞碱性磷酸酶（ALP）活性和钙结节形成量分别是对照组的3.3倍和8.2倍。RNA测序分析进一步揭示，CSIBA-15能上调成骨相关基因（如Bglap、Wnt9a），同时抑制炎症因子（如IL-6、TNF-α）的表达，从而优化骨修复微环境。

动物实验验证

在兔桡骨骨折模型中，CSIBA-15表现出卓越的修复效果。8周后，Micro-CT显示CSIBA-15组的骨体积分数（BV/TV）和骨密度（BMD）显著高于对照组，三点弯曲力学测试证实其最大载荷提升约2倍。组织学分析显示，粘合剂的多孔结构支持新生骨组织长入，且未引起明显免疫排斥或器官毒性。

临床潜力与未来展望

该研究通过仿生设计，实现了骨粘合剂的多功能集成：即时粘合、原位成孔、微环境调控和高效成骨。其简易的制备工艺和优异的生物相容性为临床转化奠定了坚实基础。团队表示，未来将进一步优化材料降解速率，探索其在复杂骨折和骨缺损修复中的应用。

图6.a）与CSIBA-0和CSIBA-15共培养1、3和5天后MC3T3-E1细胞的 OD值（n=6，*p<0.05）;b）与CSIBA-0和CSIBA-15共培养3天后MC3T3-E1细胞的代表性活/死染色图像;c）不同组与DCFH-DA一起孵育的 MC3T3-E1细胞的说明性图像;d）各组与DCFH-DA一起孵育的MC3T3-E1细胞的荧光强度（n=6，****p<0.001）;e）不同组的细胞内MDA含量（n=3，****p<0.001）;f）不同组MC3T3-E1细胞中SOD酶活性（n=3，****p<0.001）;g）各组MC3T3-E1细胞的代表性EdU染色图像;h）不同组处理后EdU阳性细胞的百分比（n=3，***p<0.001）;i）不同组中IL-6基因的转录水平（n=3，***p<0.001）;j）不同组TNF-基因的转录水平（n=3，***p<0.001）。

图 7.a） PCA 图显示基于基因表达的样品分化。b） 在各种比较中显示差异表达基因 （DEG） 的条形图。c） 说明 DEG 重叠的维恩图。d） 比较对照与 H2O2 和 e） H2O2与 H2O2 CSIBA-15 的火山图，突出显示上调（红色）、下调（黄色）和非差异表达基因（蓝色）。f） 对照与 H2O2的 GO 术语富集。g） H2O2 与 H2O2 CSIBA-15 的 GO 分析。h） 对照与 H2O2 的 KEGG 分析。i） H2O2 与 H2O2 CSIBA-15 的 KEGG 富集分析。

图 8.a） 不同实验组 MC3T3-E1 细胞 ALP 染色的示例图像;b） 各组 MC3T3-E1 细胞 ARS 染色的示例图像;c） 不同实验组 MC3T3-E1 细胞中 ALP 酶活性 （n = 6， ****p < 0.001）;d） 不同组 ARS 染色后钙结节的吸光度测量 （n = 6，****p < 0.001）;e–g） RUNX2 （e）、COLI （f） 的代表性免疫荧光染色图像;皮下植入不同持续时间后 CSIBA-15 的 H&E （g）、CD68 （h） 和 Von Kossa （i） 染色图像（图 8g 中的红色箭头表示新的组织侵入粘合剂）。

图 9.a）兔子桡骨骨折模型的示意图（比例尺：5 mm）；b）不同实验组尺骨-桡骨复合体的示例性 X 射线图像；c）各组尺骨-桡骨复合体在横向、矢状面和冠状面的显微 CT 图像；不同组骨折部位的 BV/TV d）和 BMD e）的定量评估（n = 6，*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001）；f）描绘三点弯曲生物力学测试设置的图像；g）不同组机械测试期间尺骨-桡骨复合体承受的最大载荷；g）弯曲试验期间尺骨-桡骨复合体的代表性力-位移曲线；i）病理检查详细说明骨折模型的愈合过程，通过 H&E、Masson 染色和针对 CoLI 和 OCN 的免疫组织化学染色在术后 4 周和 8 周进行。

来源：高分子科学前沿

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