局部离子液体介导的GLUT1基因编辑可改善银屑病并预防其复发

《Biomaterials》：Topical ionic liquid-mediated GLUT1 gene editing ameliorates psoriasis and prevents recurrence

本文综述人工骨膜（AP）的研发进展，探讨其通过模拟天然骨膜的三重机制（物理屏障、生理调控、多向再生耦合）实现骨组织再生，结合3D打印与智能材料策略，分析临床转化挑战及未来方向。

　　

罗彦坤|江卫东|吴浩|赵灿灿|魏洪普|王旭东

上海交通大学医学院口腔医学院口腔颌面外科，上海第九人民医院，国家口腔疾病临床研究中心，国家口腔医学中心，上海口腔医学重点实验室，上海200011，中国

摘要

骨膜是一种包裹在骨表面的特化结缔组织层，通过其整合的神经血管结构、干细胞微环境特性和机械屏障功能，在骨骼愈合过程中起着关键调节作用。临床上，创伤性损伤或病理状况常常导致骨膜撕裂、撕脱或完全丧失，从而从根本上破坏其生物学完整性。实际上，修复撕裂或缺失的骨膜非常困难，因为现有的方法很少能够再现其协调的生物信号和保护功能。由于可用的自体骨膜移植材料有限，人们开始研究人工骨膜（AP）的工程化——这种生物启发式的构建体旨在复制天然组织的层次结构和功能复杂性，以优化骨骼再生。多功能人工骨膜的当代突破显著提高了其治疗相关性，证明了其在解决复杂骨骼修复挑战方面的有效性。本综述系统地探讨了人工骨膜的生物材料制备方法。研究围绕定义人工骨膜功能的三个核心机制展开：阻挡外部威胁、重新平衡内源性生理过程以及促进骨形成与血管生成和神经发生的层次耦合。此外，我们还评估了提高这种治疗精确性的新兴功能化策略，并批判性地分析了阻碍临床应用的实际挑战。

引言

根据最新统计数据显示，全球每年有超过1500万例骨折和50万例膝关节置换手术[1]。损伤、癌症和出生缺陷常常造成严重的骨骼损伤，限制运动，引起持续的不适，在极端情况下甚至危及生命[2]，[3]。经济代价惊人——各国每年在骨骼修复治疗上花费1700亿美元，预计到2028年对骨移植材料的需求将以每年近6%的速度增长[4]。尽管自体骨移植仍然是缺陷修复的临床金标准，但仍存在实际限制，包括供体组织稀缺、供体部位并发症以及感染风险[5]，[6]，[7]。这些未解决的挑战加速了替代性再生疗法的研究。在过去二十年里，骨组织工程（BTE）通过多项发展取得了显著进展：创新生物材料支架的设计[8]，[9]，骨生成生长因子的鉴定用于细胞调控[10]，[11]，以及旨在增强材料整合和骨形成能力的靶向表面修饰[12]，[13]。

BTE研究历来侧重于骨骼组织本身，常常忽视了骨膜的贡献。这种包裹在骨表面的特化结缔组织鞘具有对骨骼发育、修复和稳态至关重要的独特结构和生物学特性[14]。其再生能力源自三个协同机制：作为前体细胞库、作为生化信号中心，在组织修复过程中为细胞渗透提供结构指导[15]，[16]。在骨骼修复的早期阶段，骨膜协调局部免疫调节，同时作为内源性干细胞的招募平台——这两种机制共同为骨形成奠定了细胞基础[17]。除了细胞组织外，该组织还通过细胞因子介导的血管网络发育来协调血管生成过程，确保矿化的代谢支持[18]。实验证据证实，骨膜的完整性对于有效愈合是不可或缺的——骨髓来源的成骨细胞耗尽对再生影响甚微，而骨膜移除则会减少73%的新骨形成[19]。这些发现推动了人工骨膜（AP）的创新，以复制天然骨膜的结构层次和多功能生物学特性，实现靶向骨骼再生。

在深入探讨人工骨膜这一先进概念之前，有必要先了解一下目前临床实践中使用的最接近的功能替代方案——引导性骨再生（GBR）膜。完全功能化的、可商业购买的人工骨膜产品在临床应用中仍然有限。如今，GBR膜主要由聚四氟乙烯、胶原蛋白、富含血小板的纤维蛋白或可吸收聚合物制成，广泛应用于牙科种植学和颌面外科[20]，[21]，[22]。它们的核心功能是作为物理屏障，分隔软组织和为骨细胞生长创造空间。临床研究表明，例如，将聚L-乳酸/聚ε-己内酯（PLA/PCL）膜与碳酸磷灰石结合使用可以实现平均约6.36毫米的稳定骨增量[23]。然而，这些传统膜材料本质上是被动的和非生物活性的。它们缺乏天然骨膜的关键特性，如主动细胞招募、血管诱导和时空控制的信号传导。这一功能差距明确指出了下一代人工骨膜的发展方向：从被动屏障转向主动的、具有再生能力的界面。目前，市场上开始出现具有主动生物诱导功能的人工骨膜产品。例如，ALLGENS MEDICAL开发了一种人工骨膜产品。该产品利用体外仿生矿化技术创建有序结构，其中包含I型胶原蛋白和纳米羟基磷灰石（HA），类似于天然骨骼。这种材料在体内降解并引导新骨生长，其功能已从“空间维持”发展为“主动再生引导”。

因此，现代人工骨膜的发展目标已超越单纯的机械保护，旨在在分子和细胞层面动态模拟天然骨膜的复杂微环境[24]。这需要双重复制策略：首先，模仿其多层异质结构。天然骨膜由纤维外层（提供机械强度）和富含细胞/血管的内层形成层组成。先进的制造技术，如3D打印，可以成功构建这种双层结构，分别模拟机械保护和生物活性功能[25]。其次，赋予其智能生物响应性。理想的人工骨膜应具备时空可控的生物活性、可编程的降解动力学以及对愈合微环境的动态响应性，包括生化梯度、机械应力和氧化还原状态[3]，[26]，[27]，[28]。这可以通过整合生长因子的控释系统、活性离子（如Mg²⁺和F^-）或近红外（NIR）光响应单元来实现。此外，成功的骨骼再生不仅依赖于骨形成本身，还依赖于神经血管化的耦合和精确的免疫调节[29]。例如，针对H型血管或巨噬细胞极化的材料设计正成为增强人工骨膜功能的新策略[30]。

材料科学的发展结合先进的制造技术——特别是精密3D打印——改变了我们制造人工骨膜的方式[31]。研究人员现在可以在微观尺度上精细调整这些结构，并添加针对性的生物功能[32]。这些创新使得以前在骨骼修复中无法实现的治疗方法成为可能。本综述通过三个关键视角系统地探讨了人工骨膜研究的最新进展。我们的讨论首先从对天然骨膜结构的解剖学和功能分析开始，接着评估当前的生物材料制备策略，然后剖析人工骨膜在骨骼再生中的三种机制（图1），随后探讨新兴的智能生物工程技术。通过分析当前的研究趋势和临床转化挑战，本文为未来的人工骨膜优化提供了可行的见解，以加速其在再生骨科中的应用。

章节片段

骨膜：一个分层的界面

骨膜这种特化的结缔组织鞘包裹着皮质骨表面，但不包括关节界面和肌腱附着区[14]，[33]。组织学上，骨膜传统上被分为三个不同的组成部分（图1）[34]。最内层的形成层包含骨祖细胞和负责骨沉积和矿化的活性成骨细胞。关键的是，这一层中的驻留干细胞在骨折愈合过程中驱动膜内骨化

来自天然组织的人工骨膜

如人/动物来源的真皮、黏膜膜和羊膜等天然组织，通过标准化的脱细胞协议提供了构建人工骨膜的可行基底。这些过程使用化学洗涤剂和酶处理去除免疫原性细胞成分，同时保留对骨生成活动至关重要的结构蛋白、糖胺聚糖和生长因子（表1）。有效的脱细胞处理在完全去除细胞的同时

功能性人工骨膜在骨骼再生中的调控作用

骨骼再生是一个需要精确时空控制的协调过程。为了引导这一复杂过程，现代人工骨膜通过三种机制模拟天然组织功能：（1）阻挡外部有害因素，这促使设计出具有选择性渗透性的致密抗菌屏障；（2）调节内源性生理失衡，这是整合免疫调节剂的关键

人工骨膜-骨替代物整合生物材料

当代骨组织工程在开发替代生物材料方面取得了显著进展，这些材料表现出出色的缺损部位适应性、结构仿生性和双重骨传导-骨诱导功能[236]，[237]，[238]。然而，这些材料通常缺乏天然骨膜所具有的屏障特性，导致其在骨缺损界面容易受到纤维组织浸润[95]，[127]，[239]。这一限制变得尤为

人工骨膜的新兴智能功能化策略

人工骨膜的设计正进入一个新的智能功能化阶段，其中工程系统获得了动态响应性、环境适应性和多模式治疗能力。如图9所示，这些先进策略可以概念性地归纳为三个核心智能维度——响应性、适应性和治疗性，构成了以下四个小节的组织框架。这种从静态生物材料向交互式生物材料的进展

功能性人工骨膜在骨骼疾病中的治疗前沿

在临床实践中，骨骼的形态和功能缺陷可以归因于某些疾病，包括创伤、感染、肿瘤、代谢失衡等。此外，某些手术也会导致术后缺损区域。虽然小缺陷可以自发重塑，但需要医疗干预的重大缺陷则需要骨膜的功能性。在猪牙槽缺损模型中的临床前研究表明，人工骨膜可以增强新骨矿化

结论、讨论和展望

本综述从四个关键维度系统地探讨了人工骨膜：材料制备策略、骨骼修复机制的多功能调节、新兴的功能化策略和治疗前沿。天然骨膜是一种血管化的结缔组织，包裹着骨表面，它协调了包括骨生成前体细胞维持、矿物质稳态、机械转导和免疫调节在内的基本生理过程。其在

CRediT作者贡献声明

王旭东：可视化、验证、监督、软件、方法学、研究、概念化。魏洪普：写作——审稿与编辑、撰写初稿、监督、软件、资源获取。江卫东：可视化、验证、监督、研究。罗彦坤：写作——审稿与编辑、撰写初稿、软件、正式分析、数据管理。赵灿灿：可视化、软件、方法学、正式分析、数据管理。吴浩：

利益冲突声明

? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：

王旭东报告称获得了上海交通大学医学院附属第九人民医院的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFC2414100）和中央高校基本科研业务费（YG2025QNA22，YG2024QNA28）的支持。我们感谢HOME研究人员的语言编辑服务和Figdraw的图表绘制支持。