Bone Res｜DNA 巧变再生骨！中国科学家研发“智能”DNA水凝胶，加速骨骼再生

（来源：生物谷）

转自：生物谷

全球每年有数百万患者因创伤、肿瘤切除、感染或先天畸形面临骨缺损问题。以中国为例，创伤性骨缺损的年发病率高达每万人中约35例，而传统骨移植手术受限于供体来源不足、免疫排斥风险以及二次手术创伤等难题。尽管人工骨支架和水凝胶材料已展现出一定潜力，但许多材料降解过快，难以在骨愈合的长周期内持续提供支撑。如何让材料既能抑制早期炎症，又能长期促进新骨生成，一直是组织工程领域的难点。

就在近期，四川大学华西口腔医院科研团队在国际权威期刊Bone Research发布重磅研究，依托可编程四面体框架核酸（tFNAs）与仿生钙磷矿化技术，研发出一款名为 Cap-gel 的新型矿化 DNA 水凝胶，一举实现早期免疫调控和持续性成骨双重功效，为骨缺损修复开辟全新技术路线。

科研人员先合成两种带有互补黏性末端的四面体框架核酸单体，按照一比一比例混合自组装，制备出基础 DNA 水凝胶，再通过交替浸泡氯化钙、磷酸氢二钾溶液，在水凝胶内部原位生成磷酸钙纳米晶体，最终得到矿化改性的 Cap-gel。各项材料检测数据显示，普通 Y 型 DNA 水凝胶抗压强度仅 2.05 千帕，未矿化基础水凝胶为 7.68 千帕，经过矿化加工后的 Cap-gel 抗压强度提升至 23.25 千帕，结构稳固性大幅提升。外层的矿物结晶还能保护内部 DNA 不被体内酶快速分解，并且可以作为钙元素储存库，在长达 21 天里平稳缓释钙离子，释放节奏和骨骼修复阶段的钙元素需求高度契合，从根源改善了传统 DNA 水凝胶易碎裂、作用周期短的短板。

骨骼受伤之后，巨噬细胞会第一时间聚集在破损位置，细胞分化方向直接决定愈合走向。如果大量巨噬细胞转化为促炎亚型，会持续分泌白介素 6、肿瘤坏死因子等炎性物质，直接抑制干细胞长成新骨。而修复型巨噬细胞能够分泌抗炎因子与促成骨蛋白，打造适宜骨骼再生的局部环境。

Cap-gel 依靠自身独特三维空间结构，抑制体内炎症相关通路，引导巨噬细胞向修复表型转变。体外细胞实验发现，材料处理后促炎细胞占比明显下降，白介素 10、转化生长因子、骨形态发生蛋白等有益因子表达显著上升，同时降低细胞内部氧化应激损伤。研究还搭建细胞共培养体系，把经过 Cap-gel 干预的巨噬细胞培养液作用于骨髓干细胞，原本被炎症抑制的成骨分化重新启动，巨噬释放的骨形态发生蛋白能够激活相关信号通路，间接推动干细胞向成骨细胞转变。

基于矿化四面体框架核酸的水凝胶的合成与表征

除了依靠免疫环境间接促成骨，持续释放的钙离子还能走独立调控通路，结合干细胞表面受体后激活成骨相关信号，大幅上调 RUNX2、碱性磷酸酶、骨桥蛋白、I 型胶原等关键成骨蛋白。细胞培养试验中，第七天 Cap-gel 组的成骨标志物染色程度远超普通水凝胶与游离 DNA 组别，培养至第十四天，该组生成大量钙盐矿化结节，充分印证材料可以通过免疫调节、离子释放两条路径协同助力骨再生。

为进一步验证，研究人员选用了大鼠颅骨临界缺损模型来开展体内验证，设置空白组、游离 DNA 组、普通水凝胶组和 Cap-gel 组，持续跟踪八周的骨骼修复变化。术后一周，Cap-gel 植入区域炎症细胞更少，修复型巨噬大量富集，早期新骨雏形率先出现；修复第二、第三周，该组新骨体积稳步上涨；等到第八周实验终点，Cap-gel 处理的缺损部位基本被成熟骨组织填满，新骨体积占比达到 30.32%，其余对照组大多只剩纤维结缔组织，几乎没有有效新生骨骼。同时溶血检测与脏器病理化验证明，Cap-gel 生物安全性优异，不会造成溶血和脏器损伤，满足体内植入的安全要求。

从产业和临床落地角度来看，国产医用新材料正加速实现进口替代，口腔植骨、运动骨折修复、畸形矫正、慢性骨髓炎治疗等场景都迫切需要优质人工骨产品。以往人工填充物大多只起到物理填充作用，Cap-gel 却可以主动和人体免疫细胞、干细胞产生互动，从损伤早期就优化局部修复环境。除大块创伤骨缺损、颅颌面重建以外，这款新型水凝胶未来还有望应用在牙周骨修复、慢性创面、关节软骨再生、种植体骨结合等多个领域。该研究借助核酸纳米与生物矿化的跨学科融合思路，为新一代智能骨修复材料的研发开辟了可行路径！

参考文献：

Yao, L., Sun, J., Liu, Z. et al. Mineralized DNA tetrahedron-structured hydrogels: a dual-functional Scaffold for immunomodulation and bone regeneration. Bone Res 14, 50 (2026). doi：10.1038/s41413-026-00530-8.