针对糖尿病骨缺损的免疫微环境调控再生，开发了铁死亡（Ferroptosis）效应的金属-酚类纳米复合水凝胶

《Biomaterials》：Ferroptosis targeted metal-phenolic nanocomposite hydrogel for immune microenvironment guided regeneration of diabetic bone defects

糖尿病骨再生障碍的复杂病理机制及多功能水凝胶治疗策略研究。通过自组装儿茶素EGCG与锶离子Sr2?形成金属-多酚纳米颗粒（MPN NPs），整合到透明质酸（HA）水凝胶三维网络中，实现抗氧化、抑制铁死亡、调节免疫和促进骨血管生成协同作用。水凝胶通过EGCG螯合Fe3?、保护GPX4及HO-1的上调，结合Sr2?促进血管新生和成骨分化，有效改善糖尿病微环境中的氧化应激、炎症及血管功能障碍。该设计为糖尿病骨修复提供了新型多功能材料平台。

　　

郝英新|张玉辰|孙俊远|王连雷|杨瀚|黄志成|刘静伟|程倩|崔继伟|刘新宇|高志良|张佩宇

中国山东省济南市山东大学化学与化学工程学院，教育部胶体与界面化学重点实验室，邮编250100

摘要

糖尿病骨缺损不仅仅是骨形成受损的结果，而是一种由慢性高血糖驱动的复杂综合征，其特征是骨代谢紊乱、血管损伤、免疫失衡，尤其是成骨细胞中铁死亡（ferroptosis）的异常激活。这些多方面的病理变化给骨科治疗带来了重大挑战。在这项研究中，我们开发了一种金属-多酚协同水凝胶平台（HES），旨在解决糖尿病骨再生的独特需求。表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）和锶离子（Sr²⁺）自组装成生物活性金属-酚类网络（MPN）纳米颗粒（EGCG–Sr²⁺ NPs），并均匀整合到三维透明质酸（HA）水凝胶基质中。该平台实现了EGCG介导的抗氧化作用与Sr²⁺驱动的血管生成的时空协调；同时，EGCG通过清除活性氧（ROS）、螯合Fe³⁺、保护谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）、上调HO-1以及抑制脂质过氧化来抑制铁死亡。此外，EGCG还具有抗炎作用，而Sr²⁺促进血管生成，共同增强了成骨分化和组织修复能力。总体而言，这种多功能水凝胶整合了铁死亡抑制、抗氧化、免疫调节和骨诱导功能，为有效修复糖尿病骨缺损提供了有前景的治疗策略。

引言

由于创伤、疾病或衰老导致的骨缺损在功能和心理上影响着数百万患者[1,2]。1型糖尿病（DMT1）是一种以高血糖和慢性炎症为特征的代谢性疾病，常因患者依从性差和治疗惰性导致血糖控制不佳而引发血糖波动[3,4]。越来越多的临床和实验证据表明，DMT1患者的血糖波动会加剧炎症反应，损害血管功能，抑制成骨作用，并可能引发代谢紊乱和线粒体功能障碍，表现为氧化应激增加[5][6][7]。这些病理变化共同削弱了骨的修复能力，提高了复发率，并显著增加了感染和截肢的风险。因此，迫切需要针对糖尿病微环境的独特特征开发专门的再生治疗策略。 特别是在颅面重建中，颅骨重塑是一个由巨噬细胞极化、新生血管形成以及骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化共同调控的精细过程[8,9]。在DMT1条件下，骨微环境会经历严重的病理改变，如氧化应激增加、巨噬细胞极化受损、血管生成减少、铁死亡以及成骨细胞功能障碍[10][11][12]。尽管目前的骨组织工程材料能有效清除活性氧（ROS）并恢复BMSCs和内皮细胞（ECs）的成骨和血管生成功能，但在指导巨噬细胞表型转化和预防铁死亡方面仍存在不足[13]。因此，开发能够同时实现结构修复和微环境调节的新多功能构建体已成为糖尿病骨缺损再生领域的迫切需求。 近年来，金属离子因其独特的生物活性和治疗潜力而在骨组织工程中受到广泛关注，例如锶离子（Sr²⁺、镁离子（Mg²⁺）和锌离子（Zn²⁺[14][15][16]。然而，金属离子的递送仍然具有挑战性。多酚类天然化合物是一类含有多个酚羟基的植物来源分子，具有优异的抗氧化、抗炎和免疫调节作用[17][18][19][20]，在调节成骨细胞与破骨细胞动态平衡、清除ROS以及促进内皮细胞迁移方面发挥着重要作用。特别是表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）可以与金属离子形成金属-多酚网络（MPNs），为构建具有增强生物活性和刺激响应性的混合生物材料提供了理想平台[19]。 在这项研究中，我们通过将EGCG与Sr²⁺共组装成生物活性MPN纳米颗粒（NPs），并将其嵌入透明质酸（HA）基质中，开发了一种多功能水凝胶。该平台能够在糖尿病骨缺损微环境中实现EGCG和Sr²⁺的可控、持续释放，提供长期的抗氧化、抗炎和骨诱导作用。EGCG通过清除ROS、螯合Fe³⁺、保护谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）以及抑制脂质过氧化来抑制铁死亡，同时调节局部免疫反应以促进组织修复。Sr²⁺促进血管生成并支持成骨分化，共同创造了一个有利于骨再生的协同环境。水凝胶的三维网络还提供了适当的机械支撑、保湿性和细胞黏附性，进一步促进了组织整合。总体而言，这一多功能系统整合了铁死亡抑制、抗氧化、免疫调节和骨诱导功能，为糖尿病骨缺损的有效再生提供了多功能且具有前景的治疗策略，并为下一代生物材料的设计提供了通用原则。

纳米颗粒和水凝胶的制备与表征

EGCG-Sr NPs通过混合EGCG和SrCl₂溶液自组装成功制备（见图1）。透射电子显微镜（TEM）分析显示，所得纳米颗粒具有均匀的球形形态，平均直径约为100 nm（图2a）。粒径分布较窄，峰宽半高（PDI）为0.16–0.19（通过动态光散射法测定）。TEM元素分析确认了Sr在纳米颗粒中的均匀分布（图2b）。

结论

总之，我们开发了一种多功能EGCG–Sr²⁺纳米复合水凝胶，有效克服了糖尿病条件下骨再生受损的挑战。通过利用EGCG的天然抗氧化和铁死亡抑制能力以及Sr²⁺的骨诱导作用，该水凝胶在高血糖微环境中实现了氧化还原平衡、铁代谢和炎症反应的协调调节。体外实验表明...

CRediT作者贡献声明

郝英新：撰写——原始草案、方法学设计、数据整理、概念构建。 张玉辰：软件开发、数据分析、概念构建。 孙俊远：方法学设计、实验研究、数据分析。 王连雷：指导监督、软件支持、资源提供、概念构建。 杨瀚：软件开发、方法学设计、实验研究。 黄志成：方法学设计、实验研究。 刘静伟：数据验证、软件支持、实验研究。 程倩：资源协调、方法学设计。 崔继伟：撰写——

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：22172089、22202117）和山东省高校青年创新团队项目（项目编号：2022KJ027）的支持。部分工作在结构成分与物理性质分析中心完成。