《Bioactive Materials》：Hierarchical micro-/nanostructured hydroxyapatite scaffolds promote osteoporotic bone regeneration via activation of hedgehog and HIF-1α signaling
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本研究针对骨质疏松性骨缺损修复中成骨-成血管耦合失调的临床难题，开发了晶须增强羟基磷灰石(wHA)支架表面功能化五种形态特异性纳米羟基磷灰石(nHA)的层级微纳结构支架(nwHA)。研究发现纳米纤维涂层支架(nwHA1)通过激活Hedgehog信号通路(SHH/PTCH1/GLI1轴)和上调HIF-1α表达，显著增强骨髓间充质干细胞(MSCs)成骨分化和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)血管生成能力，在骨质疏松大鼠模型中促进三种骨化模式（穿壁型、表面沉积型、混合型）协同再生，为拓扑结构编程型生物陶瓷设计提供新策略。
随着全球老龄化进程加速，骨质疏松症已成为严峻的公共卫生挑战。这种以骨量减少、骨微结构破坏为特征的代谢性骨病，不仅导致骨骼脆性增加和骨折风险升高，更棘手的是由此引发的骨质疏松性骨缺损存在修复障碍。传统骨修复材料如羟基磷灰石(HA)虽具有优良的生物相容性，但在骨质疏松的特殊微环境中，其成骨活性往往大打折扣——受损的骨祖细胞反应性、紊乱的成骨-破骨平衡以及迟缓的血管化过程，共同构成了骨再生领域的"三重困境"。
为突破这一瓶颈，江苏大学宋关斌教授团队在《Bioactive Materials》发表创新性研究，通过巧妙的"力学-生物学解耦"设计策略，将形态各异的纳米羟基磷灰石(nHA)精准装配于晶须增强羟基磷灰石(wHA)支架表面，构建出系列层级微纳结构支架(nwHA)。这种模块化设计既保留了wHA框架的机械强度，又通过纳米拓扑结构赋予材料表面动态生物信号传导能力，犹如为支架装上了调控细胞行为的"分子开关"。
研究团队采用水热合成法精准制备了五种形态特征的nHA（纳米纤维、纳米棒、初级纳米颗粒、树莓状纳米球、玉米状纳米聚集体），通过真空灌注技术将其均匀涂覆于wHA支架表面。通过扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等表征手段证实，不同nHA形态成功构建出特征鲜明的纳米级拓扑结构，而微计算机断层扫描(micro-CT)分析显示所有支架均保持约200微米的贯通宏孔结构。
在细胞层面，纳米纤维涂层的nwHA1支架展现出卓越的生物活性：不仅促进骨髓间充质干细胞(MSCs)铺展面积增加2.1倍，更显著上调成骨标志物ALP、BMP2表达达2.2-5.0倍。机制研究发现，nwHA1通过激活经典Hedgehog信号通路（SHH、PTCH1、SMO、GLI1等基因表达上调1.3-3.1倍），并诱导缺氧诱导因子HIF-1α表达增加2.0倍。当使用环巴胺(cyclopamine)抑制Hedgehog通路或通过siRNA敲低GLI1/HIF-1α基因后，成骨分化效应显著减弱，证实了Hedgehog-HIF-1α信号轴在拓扑信号传导中的核心地位。
在血管生成方面，nwHA1同样表现突出：与人脐静脉内皮细胞(HUVECs)共培养时，CD31、VEGF等血管生成标志物表达提升1.3-1.4倍，划痕实验显示细胞迁移速度加快，Matrigel管腔形成实验证实毛细血管样结构生成量显著增加。特别值得注意的是，HIF-1α敲低实验证明内皮细胞响应严格依赖支架诱导的HIF-1α激活，而Hedgehog通路组分在内皮细胞中未见明显变化，提示不同细胞类型对拓扑信号的响应存在特异性。
在骨质疏松大鼠股骨缺损模型中，nwHA1组的修复效果尤为惊艳：8周时微CT显示新生骨体积分数(iBV/iTV)提升2.3倍，骨矿物密度(iBMD)增加1.8倍，界面骨整合率(cBV/cTV)达68.5%。步态分析显示动物步幅长度增加27%，证明功能恢复与结构修复同步改善。组织学分析更揭示出三种特征性骨化模式：I型（穿壁式骨桥接）、II型（表面沉积式）和混合型（软骨内骨化与膜内骨化共存），其中nwHA1组以I型骨化为主导，形成连续矿化前沿，而未涂层wHA组多表现为修复迟缓的混合型骨化。
纳米压痕测试显示，nwHA1组新生骨弹性模量(13.2±1.8 GPa)与硬度(0.52±0.07 GPa)最接近天然骨组织，界面力学性能匹配度显著优于其他组。元素分析(EDS)进一步证实，nwHA1组新生骨钙磷比(Ca/P=1.66)接近羟基磷灰石理论值(1.67)，表明矿物成熟度最高。
通过系列精准实验，该研究首次系统阐释了纳米拓扑结构通过Hedgehog-HIF-1α信号轴协调成骨-成血管耦合的作用机制，揭示了材料表面几何特征与细胞命运调控的定量关系。特别重要的是，研究团队建立了拓扑结构-信号通路-骨化模式的三级调控理论：各向异性纳米结构（如纳米纤维）优先激活Hedgehog通路促进定向骨桥接；而无序纳米聚集体则倾向于诱导混合型骨化，这种空间特异性为个性化骨修复材料设计提供了理论依据。
该研究的创新价值在于突破了传统生物材料"组成决定功能"的固有范式，提出"拓扑结构编程"的新理念：通过精确控制纳米级表面特征，可定向激活内源性修复信号通路，从而逆转骨质疏松病理环境中的细胞反应惰性。这种力学-生物学解耦策略不仅适用于骨修复领域，更为其他组织工程材料设计提供了普适性思路。正如研究者所言："纳米形态可视为一种可调谐的生物指令参数，能够覆盖骨质疏松微环境固有的低反应性。"
