刘昌胜院士团队AM：生物活性材料精准调控骨髓微环境，引领骨再生新时代

骨髓微环境是一个由成骨细胞、破骨细胞、间充质干细胞、造血干细胞、免疫细胞、神经元和血管组成的动态网络系统，其稳态平衡依赖于细胞间物理接触、可溶性因子和机械信号等多维相互作用。这一微环境的失调会引发造血衰竭、骨质疏松等病理骨丢失，而传统疗法因无法实现细胞行为的精确时空调控和多重细胞交互指导，难以实现完整的结构与功能重建，成为当前骨再生医学面临的主要挑战。

近日，华东理工大学刘昌胜院士、王靖研究员、Wang Xiaogang博士系统总结了生物活性材料在调控骨髓微环境方面的最新进展。文章指出，生物材料通过仿生设计与功能化策略，不仅能够激活成骨细胞信号通路促进骨形成，还能抑制破骨细胞分化和骨吸收功能，同时整合神经与血管再生过程及免疫调节机制，优化干细胞行为并改善组织修复微环境。该研究强调跨学科整合与智能材料开发是克服传统疗法局限的关键，未来需致力于解决材料稳定性、个性化适应与临床转化等挑战，推动从分子干预到组织再生的跨尺度治疗创新。相关论文以“Bioactive Materials-Mediated Regulation of Bone Marrow Microenvironment: Mechanistic Insights and Therapeutic Potentials”为题，发表在

Advanced Materials

骨髓微环境的核心组成如图1所示，其中包括骨细胞、免疫细胞、干细胞、神经支配和血管化等多个要素。生物材料通过调控这些组成元素，维持健康的骨微环境，促进骨组织再生。进一步地，图2揭示了生物材料在骨髓微环境网络中的多重干预点，这些材料可作用于成骨细胞、破骨细胞、免疫细胞、干细胞、神经和血管等组件，并通过组件间的相互调节共同维持微环境的动态平衡。表1列举了代表性骨修复生物材料，包括仿生矿物基材料、生物活性玻璃、天然聚合物、合成可降解聚合物、金属基材料及基因载体材料等，详细说明了其核心调控机制及临床研究阶段，例如羟基磷灰石通过表面离子吸附与释放激活成骨信号，生物活性玻璃通过溶解离子调控促进血管生成。

图1：骨髓微环境。生物材料通过调控其组成元素（包括骨细胞、免疫细胞、干细胞、神经支配和血管化）来维持健康的骨微环境。

图2：骨髓微环境网络与生物材料的干预点。生物材料的干预点可作用于骨髓微环境中的各个组件，各组件之间也存在相互调节作用，共同维持骨髓微环境的动态平衡。

表1：代表性骨修复生物材料。列出各类材料及其核心调控机制与临床阶段。

在成骨细胞调控方面，图3展示了生物材料通过表面工程、离子释放和药物递送等机制，协同促进成骨细胞的粘附、分化、增殖与矿化过程。例如，钛表面改性、纳米氧化锌涂层和锶掺杂材料均可上调成骨相关基因表达，增强骨形成能力。而对于破骨细胞，图4则呈现了多种生物材料通过调节其物理特性（如招募、粘附与融合）和化学谱（如基因表达与磷酸化状态），实现对其功能的精准抑制，例如磷脂酰丝氨酸掺入的仿生囊泡和锶掺杂复合材料可通过阻断RANKL/RANK信号通路有效抑制破骨细胞分化。

图3：成骨细胞调节生物材料。生物材料通过表面修饰、离子释放和药物递送等机制协调成骨细胞活性——特别是促进其粘附、分化、增殖和矿化——来调控骨微环境。

图4：破骨细胞调节生物材料。跨越不同维度的生物材料通过调节破骨细胞的物理特性（如招募、粘附和融合）和化学谱（如基因表达和磷酸化状态）来调控其行为。

在干细胞调控领域，图5阐释了生物材料如何通过调节间充质干细胞与造血干细胞的内在生物学特性，维持骨微环境稳态。材料如PMMA纳米拓扑结构、锶改性钛表面和天然珍珠粉等可促进干细胞粘附、多向分化和抗衰老，而藻酸盐水凝胶和弹性蛋白则有助于造血干细胞的维持与扩增。免疫细胞的调控策略则汇总于表2，其中详细列出了基于物理（孔径、粗糙度、刚度等）和化学（润湿性、功能基团、离子释放等）特性的免疫调节生物材料，这些材料可通过调控巨噬细胞极化状态和T细胞活性，建立有利于骨再生的免疫微环境。

图5：干细胞调节生物材料。生物材料可调节间充质干细胞和造血干细胞的内在生物学特性，以维持骨微环境内的稳态。

表2：免疫调节生物材料。基于物理和化学特性的免疫调节生物材料及其作用机制。

关于骨内神经调控，图6比较了传统与新兴生物材料的作用机制：传统材料如胶原支架、透明质酸水凝胶和聚己内酯神经导管通过结构引导和因子释放促进神经修复；而新兴材料则利用光、电、声、热等外部物理信号实现神经调控，例如光敏导电水凝胶和低强度脉冲超声可通过刺激神经肽分泌增强骨整合。在血管调控方面，图7说明了生物材料通过直接递送血管生成因子（如VEGF）、间接促进因子分泌以及构建血管修复微环境等多种机制，协同促进骨内血管网络再生，例如双层生长因子水凝胶和镁基生物材料可时序释放因子并激活HIF-1α通路，显著加速血管化与骨愈合。

图6：骨内神经调节生物材料。传统生物材料通过其结构特性和成分因子释放协调骨组织内的神经修复与再生，而新兴一代生物材料则通过光子、电、声或热线索实现外在神经调节。

图7：血管调节生物材料。生物材料通过直接递送营养因子、间接促进营养因子分泌以及建立血管修复微环境，促进骨组织内的血管修复与再生。

展望未来，图8描绘了生物材料介导微环境调控的前沿方向：自适应性材料可响应生理信号动态调整结构与功能；RNA调控材料能编程细胞遗传电路；外部场响应材料实现非侵入性精准调控；骨类器官通过仿生构建模拟骨髓空间异质性；AI驱动设计则通过多尺度建模与深度学习大幅压缩材料研发周期。尽管在生物相容性定义、临床转化与规模化生产方面仍存挑战，智能生物材料已展现出从“被动支撑”到“主动调控”的范式转变，有望最终实现从分子干预到组织功能再生的跨尺度精准修复。

图8：生物材料介导微环境的未来轨迹。前沿生物材料建立双向通信网络，解码病理信号以提供时空自适应干预；骨类器官利用可编程微环境仿生骨髓空间异质性；AI加速设计通过多物理场模拟和深度学习预测生物界面动态，逆向生成生物材料结构。

来源：高分子科学前沿

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