《Biomaterials》：Biomimetic Hydrogel Strategy Inspired by Sea Cucumbers: Integrating Antibacterial, Osteoimmune, and Osteogenic Functions for Infected Bone Repair
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本研究设计了一种基于海胆结构的CG/BG/Sa自组装水凝胶，集成抗菌（>95%）、免疫调节（促进M2巨噬细胞极化1.62倍）和骨再生功能。通过近红外响应增强抗菌，协同BG释放Ca2+/PO?3?促进骨形成和血管生成，激活PPAR通路并抑制Toll样受体信号，显著提升骨缺损修复效率（1.80倍）。
Xinyi Li|Mengyu Huang|Tianyi Chen|Xinyang Liu|Shuaiqi Gan|Ping Zhang|Song Chen|Ding Bai|Xinyuan Xu|Jianshu Li
中国四川省成都市610041，四川大学华西口腔医院口腔疾病国家重点实验室、国家口腔医学中心、国家口腔疾病临床研究中心及正畸科
摘要
由于细菌持续定植和慢性炎症阻碍了骨再生，感染性骨缺损仍然是一个主要的临床挑战。改性壳聚糖（CG）因具有抗菌、清除活性氧（ROS）、粘附性和药物装载能力而受到了广泛关注。然而，它同时平衡抗菌活性、强免疫调节和骨生成的能力仍然有限。因此，受海参“体腔基质–糖蛋白层–刺状网络”结构的启发，该结构能够实现初级防御、免疫调节和结构修复，我们开发了一种自组装可注射水凝胶（CG/BG/Sa），由改性壳聚糖（CG）、唾液酸（Sa）和生物活性玻璃（BG）组成。CG基质模拟了体腔基质，提供了强大的抗菌屏障（>95%）、高效的ROS清除能力（91.44%）和持续的Sa释放，同时展现出强烈的近红外响应光热转换效应，进一步增强了细菌清除效果。释放的Sa作为类糖蛋白层，诱导M2巨噬细胞极化（1.62倍），从而重塑骨免疫微环境并保护干细胞。同时，BG作为分散的刺状结构，增强了机械稳定性，并释放Ca2+/PO43-离子，促进骨生成和血管生成分化。体内实验表明，光热增强的抗菌效果进一步减少了炎症并促进了骨生成和新生血管形成。从机制上讲，CG/BG/Sa上调了PPAR信号通路，同时抑制了Toll样受体信号通路，从而加速了骨缺损修复（1.80倍）。总体而言，这种仿生水凝胶集成了抗菌、免疫调节和骨诱导活性，为感染性骨缺损的精准治疗提供了一个有前景的治疗平台。
引言
由创伤、肿瘤、慢性炎症或感染引起的骨缺损已成为全球残疾的主要原因，尤其是在预期寿命延长和人口老龄化背景下[1]。感染性骨缺损尤其具有挑战性，因为持续的细菌定植和生物膜形成会引发长期的炎症反应，阻碍骨生成并影响修复材料的稳定性[2],[3]。尽管含抗生素的支架（例如，载有环丙沙星或庆大霉素的系统）[4]可以提供暂时的抗菌效果，但其临床应用受到药物耐药性、局部浓度难以控制以及难以同时实现抗菌和骨生成功能的限制[5]。因此，开发具有刺激响应性抗菌活性、可控降解性和协同骨生成及血管生成特性的智能生物材料已成为迫切的临床需求[6],[7],[8],[9]。
水凝胶因其可调的物理化学性质、可注射性、生物相容性和药物装载能力而成为骨修复的有希望的候选材料[10],[11],[12],[13]。例如，各种自组装水凝胶因其优异的可注射性、粘附性能、生物相容性和药物装载能力而迅速成为构建骨缺损抗菌屏障的首选[14],[15]。其中，改性壳聚糖（CG）因其固有的抗菌活性、清除活性氧（ROS）的能力、强粘附性和高效的药物装载性能而受到广泛关注[16],[17]。为了进一步增强感染性骨缺损治疗所需的多功能性，引入了生物活性玻璃（BG）作为补充成分。BG释放生物活性离子（Ca2+, PO43-, Si(OH)4），以刺激骨生成分化并促进血管生成[18]，容易形成羟基磷灰石层，增强细胞粘附并为矿物质沉积提供成核位点[19]，并调节局部免疫反应，创造有利于组织修复的微环境[20],[21]。然而，单纯的CG和BG组合仍缺乏动态和精确地协调免疫调节的能力，这在实现同步抗菌、骨免疫和骨生成结果方面存在关键差距。
仿生策略已在组织工程中得到广泛应用，将自然结构原理转化为多功能再生材料[22]。海参作为典型的棘皮动物，具有出色的自我防御和显著的再生能力，为设计多功能骨修复材料提供了新的灵感[23],[24]。受这些特性的启发，多项生物材料研究报道了模仿可变胶原组织的自愈合水凝胶和离子凝胶[25],[26]，以及具有可调机械性能和可回收性的生物基聚氨酯[27]。然而，这些设计主要关注机械适应性和自我修复，而没有捕捉到海参结构的综合生物功能。海参的体腔基质由三维多孔凝胶状网络组成，包含水、类胶原蛋白和糖胺聚糖，既支持又缓冲了细胞和营养物质的交换，并最初抑制了入侵微生物[28],[29]。覆盖体表和内腔壁的糖蛋白配体层富含唾液酸（Sa）修饰的粘多糖，在微生物定植和表皮伤口愈合中起关键作用，选择性地诱导共生细菌或抑制病原细菌[30],[31]，并通过与Siglec受体的相互作用调节巨噬细胞活性[32],[33],[34],[35],[36]。分布在体腔基质中的微米级钙质刺状结构具有分散的机械增强作用、钙和磷酸盐离子的储存和释放功能，以及向细胞传递机械生物学信号的功能[37]。这种多功能的“体腔基质–糖蛋白层–刺状网络”实现了初级防御、免疫调节和结构修复，为仿生骨修复策略提供了灵感。
受海参多功能特性的启发，我们基于CG基质并结合Sa和BG，构建了一种自组装可注射复合水凝胶（CG/BG/Sa），在抗菌活性、免疫调节和骨生成方面实现了多重协同效应。CG水凝胶基质模拟了海参的“体腔基质”，利用其固有的抗菌、自由基清除和优异的粘附性能为感染性骨缺损提供初始抗菌屏障，而金属-多酚配位赋予了系统近红外响应的光热能力，实现快速细菌清除。Sa模拟了海参的“糖蛋白层”，当通过CG高效装载并持续释放时，特异性结合巨噬细胞的Siglec受体，诱导其向修复型M2表型极化，减少局部ROS生成，抑制破骨细胞分化，从而重塑有利于骨生成的免疫微环境。它还特异性结合血管内皮细胞上的受体，加速血管网络的形成。通过溶胶-凝胶方法合成的含钙-磷的BG像分散的“钙质刺状结构”一样起作用，显著增强了凝胶的机械稳定性，同时持续释放Ca2+和PO43-，促进羟基磷灰石沉积并加速骨生成分化，并与Sa协同激活血管生成信号。CG、Sa和BG各自具有抗菌、免疫调节、骨生成和血管生成功能，共同形成了一个级联治疗平台，最初提供抗菌防御，随后调节免疫微环境，最终协同促进骨形成和血管生成，光热增强的抗菌作用进一步支持了再生微环境的建立（图1）。
化学物质
所有试剂均为分析级，按收到状态使用，无需进一步纯化。壳聚糖（CS，30,000 Da）、唾液酸（Sa）、四乙基正硅酸盐（TEOS）和三乙基磷酸酯（TEPP）购自Macklin（中国）。没食子酸（GA）购自Sigma-Aldrich（美国）。1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和脂肪酸甲酯磺酸盐（MES）购自Aladdin（中国）。六水合三氯化铁（FeCl3·6H2
海参启发的水凝胶表征
CG/BG/SA水凝胶的合成过程如方案1所示。首先，通过CS的氨基与GA的羧基之间的共价交联将没食子酸（GA）接枝到壳聚糖（CS）上，生成CG。接下来，Fe3+与CG上的相邻羟基配位，形成蓝黑色水凝胶，其中金属-配体配位键与强烈的分子间相互作用（包括静电力和氢键）共存。此外，含有丰富
结论
总结来说，受海参结构特征的启发，我们开发了一种仿生的自组装可注射复合水凝胶（CG/BG/Sa），用于治疗感染性骨缺损。“体腔基质”组分（CG）提供了强大的抗菌活性（>95%）和高效的ROS清除能力（91.44%），并实现了Sa的逐渐释放。释放的Sa模拟了“糖蛋白层”，促进了M2巨噬细胞极化（1.62倍），从而保护了干细胞
CRediT作者贡献声明
Ding Bai： 监督、概念设计。Xinyuan Xu： 写作 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、资金获取、概念设计。Jianshu Li： 写作 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念设计。Xinyi Li： 写作 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、研究、资金获取、概念设计。Mengyu Huang： 软件、资源、方法学、研究。Tianyi Chen： 软件、方法学、数据管理。Xinyang Liu：
竞争利益声明
作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（52473311、U22A20158、52203180）、中国博士后科学基金（2023M732429）和四川省科技计划（2024NSFSC1596）的财政支持。作者还要感谢四川大学华西口腔医院口腔疾病国家重点实验室的Ninghan Tang在图像采集方面的帮助。
