上海
理想的骨修复材料不仅需要具备骨传导性和骨诱导性，还需兼顾神经发生和血管生成等多重生物学功能。天然骨无机基质由羟基磷灰石及钠、钾、镁、锶等多种功能离子共同构成，其多组分协同调控机制极为复杂。传统的生物材料开发高度依赖经验性试错，在多组分高维成分空间中效率低下，难以系统揭示组分间的协同效应，这已成为高性能骨修复材料研发的关键瓶颈。
近日，国防科技大学理学院王晓燕/柳珑团队在Advanced Science发表题为Machine Learning-Driven Design of Multicomponent Bone Inorganic Matrix Mimicking Scaffolds for Osteogenesis Enhanced by Neurogenesis的研究文章。该团队构建了一套机器学习驱动的多组分介孔生物活性玻璃（Mesoporous Bioactive Glass, MBG）筛选框架，通过实验建立数据集-机器学习预测-材料制备与表征-骨修复功能性验证，设计出核-壳纳米纤维支架MBG5@SF/NGF，在体内外均表现出优异的成骨与神经诱导活性。
该研究采用均匀设计构建169组Ca-Mg-Na-K-Sr配方，以CCK-8和ALP活性计算相对ALP活性，划分高低成骨潜力配比。通过比较8种机器学习模型，选择了表现最佳的SVM模型，从10,000个候选配比中预测出126个高成骨潜能候选配比，并通过茜素红矿化实验二次筛选出MBG2-MBG5，其中MBG5为预测的最优配方。随后将其与负载NGF的SF壳层组装为核-壳纳米纤维支架MBG5@SF/NGF，开展材料表征、离子释放、抗菌、力学、细胞黏附迁移、成骨/神经分化、转录组测序及小鼠颅骨缺损实验。
进一步分析显示，MBG5@SF/NGF可促进BMSCs增殖、ALP活性和矿化结节形成，上调Runx2、Bmp2、Opn、Ocn等成骨基因及Map2、Nse等神经标志物，并提高Erk1/2磷酸化水平。转录组分析提示其可能激活BMP-SMAD、MAPK、HIF-1等通路。小鼠颅骨临界尺寸缺损模型中，MBG5@SF/NGF显著促进新骨形成，提高BV/TV、Tb.Th、Tb.N和BMD，并增加Bmp2、Ocn、Nse和CD31表达，表明其具有重建神经-血管-骨耦合再生微环境的潜能。
该研究不仅为功能性骨再生提供了有前景的支架材料，更为机器学习辅助多组分生物材料设计提供了新思路。
国防科技大学林昆潞、杨颖、周楚尧、王晓燕为本文的共同第一作者，王晓燕副教授、柳珑教授为该研究论文的共同通讯作者。
原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.77084
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