综述：用于骨骼再生的可持续多模式平台：利用仿生天然材料弥合转化医学的差距

《Sustainable Materials and Technologies》：Sustainable multimodal platforms for bone regeneration: Bridging the translational gap with bioinspired natural materials

　　赫莉亚·哈吉哈萨尼（Helia Hajihassani）| 纳赛尔·法罗基（Naser Farrokhi）| 艾桑·雷扎扎德（Aysan Rezazadeh）| 穆罕默德·索海尔·阿里戈尔（Mohammad Soheil Aligol）| 霍赛因·沙赫萨瓦拉尼（Hosein Shahsavarani）
伊朗德黑兰沙希德·贝赫什蒂大学（Shahid Beheshti University）生命科学与生物技术学院细胞与分子生物学系，邮编1983969411

**摘要**
修复关键大小的骨缺损需要先进的支架，这些支架能够复制天然组织的结构和功能特征。来自哺乳动物、海洋生物、藻类、植物、昆虫和原核生物的可持续天然聚合物提供了多样且可调节的材料库。这包括已建立的生物材料，如胶原蛋白、壳聚糖、海藻酸盐和丝素蛋白，以及新兴的资源，如植物来源的纳米结构、海洋多糖和细菌纳米纤维素。当前的策略侧重于开发集成复合材料或共聚物系统，以提高机械和生物性能。通过化学修饰（包括离子掺杂和仿生交联）来调整材料性能，以调控降解和生物活性。结构特征（如纳米拓扑结构和压电性能）提供了影响细胞反应的重要机械刺激。先进的可扩展生物制造技术，特别是3D生物打印，能够制造出空间精确、结构分级且针对患者的架构。这些多模式系统旨在支持骨形成、血管生成和免疫调节，同时降低感染风险。尽管取得了这些进展，但仍存在重大的转化挑战。临床前模型往往无法复制骨质疏松症和糖尿病等复杂并发症，而天然生物材料的标准化、可扩展制造工艺的开发仍是一个主要障碍。未来的进展取决于将可持续生物材料科学与计算设计和力学生物学相结合，以实现预测性的计算机建模和可重复的制造平台。下一代功能性骨移植将依赖于综合方法，解决生物学复杂性、制造一致性和临床相关性问题，这些方法基于可持续性和工程原理。

**引言**
骨修复是现代医学中最紧迫的挑战之一，涉及骨科手术、牙科和颌面重建[1]。骨愈合的复杂性以及骨疾病的发病率上升凸显了改进再生方法的迫切需求。每年进行数百万次骨移植手术[2]。虽然自体移植仍然是当前的金标准，但它们受到供体部位并发症和供应限制的制约[3]。这一临床现实因骨质疏松症或糖尿病等系统性疾病患者的普遍存在而变得更加复杂，在这些疾病中，天然的再生能力显著减弱[4][5][6]。

最近的进展强调了细胞微环境在调控再生介质释放中的关键作用。这种微环境控制细胞行为、分化和功能性骨形成。天然支架通过模仿天然细胞外基质（ECM）的组成，提供机械支持和生物活性信号[7]。科学界最近开始研究新的生物启发材料来源，如去细胞化的细胞外基质，它保留了复杂的组织特异性信号，以及新型多糖（如岩藻多糖和乌尔万多糖），这些多糖以其免疫调节和骨形成特性而闻名[8]。这一不断扩展的材料库还包括高纯度和高强度的细菌纳米纤维素，以及受贻贝和沙堡虫蛋白启发的海洋生物粘合剂，为功能性设计提供了广泛的工具包[9]。此外，研究还扩展到了高性能蛋白质纤维（如重组蜘蛛丝），用于承重应用，以及来自秋葵或亚麻籽的植物黏液，这些黏液为生物墨水配方提供了独特的流变特性[10]。

为了成功修复骨骼，血管生成和骨形成必须同时发生，因为新骨的形成需要血管供应[11]。胶原蛋白、壳聚糖、海藻酸盐、纤维素、透明质酸和丝素蛋白等天然聚合物提供了生物相容性的支撑结构。然而，它们的固有特性往往不足。因此，当前的范式强调创建复合材料系统，例如，丝素的韧性补充了胶原蛋白的细胞亲和力，从而产生优于单一组分的支架[1][4]。例如，胶原蛋白-羟基磷灰石复合支架已知可以支持细胞生长并促进骨愈合[12]。另一种有效选择是壳聚糖-三钙磷酸盐复合材料，其中骨传导矿物相有助于骨基质的沉积，而壳聚糖提供了可降解的生物相容性框架，促进细胞附着[13]。丝素蛋白与生物活性玻璃颗粒混合也可以在骨修复条件下提高机械强度并触发间充质干细胞的骨形成分化[14]。海藻酸盐-纳米羟基磷灰石复合材料作为一种可注射或可塑系统表现出优异的性能，可以在原位硬化，填充不规则的骨缺损，并随着时间的推移促进新骨的生长[15]。此外，这些支架不仅仅是被动载体。新型交联方法（如genipin、单宁酸、鱿鱼来源的蛋白质、转谷氨酰胺酶或来自植物和藻类的酚类化合物）的引入也带来了革命性的变化，与传统合成交联剂相比，这些方法可以提高机械稳定性并减少细胞毒性[16][17]。

化学功能化是一种强大的工具；引入锶等离子可以同时增强机械性能，并对骨重塑产生双重合成和抗分解作用[3]。“物理修饰，包括引入特定的纳米拓扑结构和纳米图案化表面（据报道可以增加骨形成标志物的表达），以及在含有钛酸钡（BT）的聚偏二氟乙烯（PVDF）基复合材料中的压电性能[12]，对于传递指导细胞命运的关键力学生物学信号同样至关重要[5]。连续骨形成的各个阶段和最近的研究趋势如图1所示。

多模式生物启发策略整合了细胞、支架和生物活性信号，以再现自然愈合过程。真正的再生依赖于一系列有序的信号，其中早期的机械刺激可以激发细胞对随后出现的生长因子的反应，这一概念基于力学生物学途径[5][7]。将这些复杂系统转化为实际应用现在主要依赖于先进的生物制造技术。三维生物打印已经从原型工具发展成为一种重要的制造平台，可以精确控制多种墨水的沉积，创建分级且针对患者的架构[2][6]。图2展示了这种综合方法的示意图，概述了从细胞分离和支架功能化到植入的整个过程。

尽管临床前结果令人鼓舞，但仍有重大障碍阻碍了临床转化。标准动物模型很少能模拟复杂的共病情况（如骨质疏松症和糖尿病），而天然生物材料的标准化、可扩展制造工艺的开发仍是一个主要障碍。未来的进展取决于将可持续生物材料科学与计算设计和力学生物学相结合，以实现预测性的计算机建模和可重复的制造平台。下一代功能性骨移植将依赖于综合方法，解决生物学复杂性、制造一致性和临床相关性问题，这些方法基于可持续性和工程原理。

**引言（续）**
骨修复仍然是现代医学中最紧迫的挑战之一，涉及骨科手术、牙科和颌面重建[1]。骨愈合的复杂性和骨疾病的发病率上升凸显了改进再生方法的迫切需求。每年进行数百万次骨移植手术[2]。尽管自体移植仍然是当前的金标准，但它们受到供体部位并发症和供应限制的制约[3]。这一临床现实因骨质疏松症或糖尿病等系统性疾病患者的普遍存在而变得更加复杂，在这些疾病中，天然的再生能力显著减弱[4][5][6]。

最近的进展强调了细胞微环境在协调再生介质释放中的关键作用。这种微环境控制细胞行为、分化和功能性骨形成。天然支架通过模仿天然细胞外基质（ECM）的组成，提供机械支持和生物活性信号[7]。科学界最近开始研究新的生物启发材料来源，如去细胞化的细胞外基质，它保留了复杂的组织特异性信号，以及新型多糖（如岩藻多糖和乌尔万多糖），这些多糖以其免疫调节和骨形成特性而闻名[8]。这一不断扩展的材料库还包括高纯度和高强度的细菌纳米纤维素，以及受贻贝和沙堡虫蛋白启发的海洋生物粘合剂，为功能性设计提供了广泛的工具包[9]。此外，研究还扩展到了高性能蛋白质纤维（如重组蜘蛛丝），用于承重应用，以及来自秋葵或亚麻籽的植物黏液，这些黏液为生物墨水配方提供了独特的流变特性[10]。

血管生成和骨形成必须协同发生，因为新骨的形成需要血管供应[11]。胶原蛋白、壳聚糖、海藻酸盐、纤维素、透明质酸和丝素蛋白等天然聚合物提供了生物相容性的支撑结构。然而，它们的固有特性往往不足。因此，当前的范式强调创建复合材料系统，例如，丝素的韧性补充了胶原蛋白的细胞亲和力，从而产生优于单一组分的支架[1][4]。例如，胶原蛋白-羟基磷灰石复合支架已知可以支持细胞生长并促进骨愈合[12]。另一种有效选择是壳聚糖-三钙磷酸盐复合材料，其中骨传导矿物相有助于骨基质的沉积，而壳聚糖提供了可降解的生物相容性框架，促进细胞附着[13]。丝素蛋白与生物活性玻璃颗粒混合也可以在骨修复条件下提高机械强度并触发间充质干细胞的骨形成分化[14]。海藻酸盐-纳米羟基磷灰石复合材料作为一种可注射或可塑系统表现出优异的性能，可以在原位硬化，填充不规则的骨缺损并促进新骨的生长[15]。此外，这些支架不仅仅是被动载体。新型交联方法（如genipin、单宁酸、鱿鱼来源的蛋白质、转谷氨酰胺酶或来自植物和藻类的酚类化合物）的引入也带来了革命性的变化，与传统合成交联剂相比，这些方法可以提高机械稳定性并减少细胞毒性[16][17]。

化学功能化是一种强大的工具；引入锶等离子可以同时增强机械性能，并对骨重塑产生双重合成和抗分解作用[3]。“物理修饰，包括引入特定的纳米拓扑结构和纳米图案化表面（据报道可以增加骨形成标志物的表达），以及在含有钛酸钡（BT）的聚偏二氟乙烯（PVDF）基复合材料中的压电性能[12]，对于传递指导细胞命运的关键力学生物学信号同样至关重要[5]。连续骨形成的各个阶段和最近的研究趋势如图1所示。

多模式生物启发策略整合了细胞、支架和生物活性信号，以再现自然愈合过程。真正的再生依赖于一系列有序的信号，其中早期的机械刺激可以激发细胞对后期出现的生长因子的反应，这一概念基于力学生物学途径[5][7]。将这些复杂系统转化为实际应用现在主要依赖于先进的生物制造技术。三维生物打印已经从原型工具发展成为一种重要的制造平台，可以精确控制多种墨水的沉积，创建分级且针对患者的架构[2][6]。图2展示了这种综合方法的示意图，概述了从细胞分离和支架功能化到植入的整个过程。

尽管临床前结果令人鼓舞，但仍有重大障碍阻碍了临床转化。一个关键问题是标准动物模型很少考虑生理状态的改变或允许功能性负荷，导致的数据可能无法预测临床疗效[18]。此外，天然材料的批次间变异性为制造标准化和监管批准带来了实际障碍。为了解决这一挑战，我们需要朝着融合科学的方向转变，通过将计算预测建模与稳健的力学生物学理解相结合，设计出可重复、可扩展的制造工艺[6][7]。本综述认为，克服转化差距需要跨学科关注这些综合的多模式平台，从它们的生物启发设计和制造到解决这些关键的临床和工业挑战。

在本综述中，可持续性被定义为包括使用可再生或负责任来源的材料、减少对有毒溶剂或交联剂的依赖、减少能源密集型加工；可扩展、可重复的制造，最小化批次间变异性；以及使用寿命结束时的安全性，包括降解产品的性质和长期生物相容性。这一定义为评估以下部分讨论的支架材料选择和修改策略提供了实用框架。在有证据的情况下，我们强调那些符合这些标准的方法；在缺乏证据的情况下，我们指出可持续性尚未得到充分表征。

天然支架与细胞有多种相互作用和支架之间的相互作用（例如，间充质干细胞（MSCs）或成骨前体细胞[19]。天然骨传导材料的来源和制造过程对骨形成有重要影响。例如，牛或猪胶原蛋白支架表现出不同程度的成骨细胞分化和矿化。骨形态发生蛋白（BMPs）和血管内皮生长因子（VEGF）通过促进骨形成和血管生成，增强了天然支架的生物活性和再生性能[20][21]。这些细胞因子和生长因子调节基本的生物过程，包括间充质干细胞迁移、旁分泌相互作用、免疫调节和血管生成。所有这些过程对于有效的骨修复都是必不可少的。例如，巨噬细胞与间充质干细胞在矿化胶原蛋白支架中的相互作用通过细胞因子介导的信号传导，将炎症解决与新骨形成联系起来。分层多孔支架影响间充质干细胞的旁分泌活性，通过持续释放促血管生成因子来增强血管生成和矿化。微环境工程策略还表明，精心控制的信号传导可以指导干细胞迁移、调节免疫反应并促进骨修复期间的血管生成。这些发现共同强调了细胞因子和生长因子信号在支架介导的免疫干细胞相互作用以及驱动骨形成和血管化骨再生的改变的旁分泌分泌模式中的核心作用[20][21][22]。

除了这些公认的方法外，最近的研究还强调了细胞外囊泡（特别是干细胞来源的外泌体）作为细胞间通信的关键介质的作用，它们可以与天然基质结合，放大生长因子对骨愈合的效果[22]。支架本身的物理性质也起着关键作用，因为力学生物学途径将局部环境的机械信号转化为指导细胞命运的生化信号，这一过程与可溶性因子的传递相辅相成[23]。最近，神经和血管的协调生长（称为神经血管耦合）现在被认为是骨形成的重要伙伴，其中神经生长先于并指导新血管的形成，从而确保了持续骨修复所需的代谢支持[24]。这些新的观点共同揭示了一个更加综合的观点，其中可溶性信号、机械力、囊泡介导的相互作用和神经血管网络共同协调成功的再生。

化学功能化将惰性或生物相容性基质转化为具有生物指导性的基质。引入生物活性离子（如Sr2+、Mg2+）可以增强骨形成活性[25]。这些离子在骨形成基因表达的结构和功能变化中起关键作用，使其成为治疗骨质疏松性骨折的理想选择[26]。表面功能化在各种生物反应中都得到了良好的耐受性，因为它们是主要的细胞相互作用位点[7]。这种早期附着触发了细胞内信号通路，调节细胞扩散和细胞骨架组织，从而促进骨形成分化。硅离子还刺激胶原蛋白矿化并促进血管生成。硅离子还有助于调节破骨细胞活性，从而帮助在骨重塑过程中维持骨形成和骨吸收之间的平衡。破骨细胞负责骨吸收。一项研究报告了硅对破骨细胞形成的抑制作用。研究人员推测，这种抑制可能是通过减少活性氧（ROS）来实现的。然而，细胞机制仍不清楚[27]。除了CaP系统之外的微量矿物质也提供了新的治疗可能性[28][29][30]。这些协同效应表明，组合化学修饰比单独的掺杂剂更有效。例如，Sr掺杂与RGD功能化结合可以增强MSC的骨形成分化，而顺序释放Si/Mg离子与骨形成的时间阶段相一致[30][31]。免疫调节功能化通过将生物活性化学基团直接引入支架结构，有意地将炎症反应导向促再生表型。这些方法建立了抗炎和促愈合的微环境，将被动支架转变为动态的生物组织再生调节器[32]。

骨组织工程的范式因制造技术的进步而发生了革命性的变化，这些进步扩展了结构精度的限制，并使支架更好地模仿了天然骨的层次复杂结构。现代方法（如3D生物打印和电纺）能够对关键物理参数（从孔隙几何形状到纤维方向）进行时空操控[33]。这种维度控制在生物学上至关重要，因为这种拓扑结构直接影响细胞导向并决定了整个再生过程中的组织空间模式[34]。胶原蛋白-羟基磷灰石复合材料就是一个例子；合理地将羟基磷灰石纳入结构明确的胶原蛋白网络大大促进了MSC向骨形成谱系的转化[35]。图3展示了多模式支架的演变，记录了生物学、化学和物理领域的关键创新。

多模式支架设计代表了当前骨组织工程的前沿，它整合了物理、化学和生物信号，以指导愈合而不仅仅是被动支持。有效的骨修复需要生物、化学和物理信号的复杂相互作用。尽管在天然支架开发、生长因子传递和先进制造技术方面取得了显著进展，但在将临床前成功转化为临床应用方面仍存在关键挑战。整合细胞、支架和生物活性信号的多模式、生物启发策略提供了最有前途的前进路径，特别是当与可持续、可重复和针对患者的设计方法结合时。本综述旨在综合该领域的当前知识，突出创新并识别未来研究可以增强骨组织工程的有效性、可扩展性和临床相关性的领域。

几项最近的研究直接解决了上述持续的障碍。具有可渗透通道的三维生物打印结构可以维持持续的营养流动和废物清除，保持大骨缺损中的细胞活力[36]。免疫调节支架能够招募巨噬细胞并引导它们进入促进愈合的状态，从而增强邻近干细胞的成骨分化[37]。程序化药物输送系统能够按时间顺序释放多种治疗剂，从而改善骨骼再生效果[38]。另一种方法使用来自大麻叶毛状体的纳米沟槽纤维素基质，并涂覆还原氧化石墨烯。这种仿生支架可以加速人类脂肪源性干细胞的成骨分化，并具有对抗革兰氏阳性和革兰氏阴性病原体的固有抗菌活性[39]。这些进展共同表明，下一代骨移植材料不仅能够填补骨骼缺损，还能在修复的每个阶段积极引导宿主组织，适用于常规临床应用。

**文献综述方法**
本综述采用了严格和结构化的方法来识别和评估相关文献。在PubMed、Web of Science和Scopus等多个电子数据库中进行了全面搜索，涵盖了2020年至2026年的出版物，以捕捉最新的研究进展。搜索策略包括医学主题词（MeSH）术语、布尔运算符以及与骨骼再生、天然支架和多学科相关的自由文本关键词。

**天然支架的战略选择以实现高效的目标定位骨骼再生**
天然支架在骨骼修复中的性能取决于将其视为独特的生物平台，而不仅仅是通用植入物。这些支架还需要根据每位患者的解剖和生理条件进行精心定制[40]。这些三维（3D）多孔结构来源于多种来源，包括动物和海洋资源，旨在紧密复制天然细胞外基质（ECM）的层次结构[41][42]。

**支架结构和微结构的优化**
天然支架具有丰富的三维物理结构，这对于功能性组织再生的机械支持至关重要。特定的结构参数直接影响细胞反应和组织成熟的进程。支架微结构的设计不仅涉及孔隙率，还包括指导复杂骨骼再生过程的物理信号的层次组织。这种工程化的各向异性有助于促进...

**功能基团修饰和表面特性**
天然支架的生物活性与其表面化学性质密切相关，后者在调控生物材料功能中起着关键作用。同时，特定的化学基团通过已建立的生化过程与细胞成分发生复杂相互作用。这些表面通过分子精确识别直接促进细胞粘附、迁移和分化，间接影响...

**化学交联以增强材料性能**
化学交联是提高天然支架机械和生物稳定性的重要方法[104]。1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺交联（EDC/NHS交联）的胶原支架表现出显著的性能提升，其压缩模量比未交联对照组高3-5倍，降解时间延长2-3倍[64][66]。因此，研究人员可以调整交联密度以达到理想的效果。

**细胞粘附和骨传导性能**
对天然支架的初始生物反应集中在细胞粘附现象上，特定的分子相互作用通过协调良好的受体-配体识别事件决定后续的再生结果[126]。一种来自褐藻的岩藻多糖即使在没有成骨诱导培养基的情况下也能提高细胞活力、增殖和分化能力[8]。这种粘附优势可以通过战略性生物分子修饰进一步放大。

**干细胞整合和基因工程方法**
当以相对较高的种子密度（1 × 10^6细胞/mL）将骨髓间充质干细胞（BMSCs）接种到胶原支架中时，八周后形成的新骨量比无细胞支架更多[136]。多项研究均证实了该模型在骨形成指标上的类似改善[137]。基因工程的最新进展进一步增强了这些再生效果。

**生长因子输送和协同组合**
结合几种具有不同生物活性的生长因子（例如先释放VEGF再释放BMPs）的策略性组合具有显著效果。这种复杂的输送系统能够模拟自然愈合过程的时间顺序，从而同时改善新血管形成和基质矿化[140][141][142]。然而，剂量、释放速率和脱靶毒性仍然是主要限制因素。

**高级组合支架系统**
在单一支架系统中整合多种策略性方法可以产生强大的协同效应，显著提升再生效果。例如，与羟基磷灰石矿化并负载BMP-2的胶原支架在体内实验中显示，在8周时比未矿化的对照组促进更多的骨形成和缺损闭合。微计算机断层扫描（Micro-CT）分析显示骨矿物质密度提高了2.5至3倍。

**讨论**
鉴于骨骼修复的生物学复杂性，试图找到单一的骨骼再生解决方案是不现实的。胶原、壳聚糖、丝素纤维蛋白等天然聚合物具有吸引干细胞、调节免疫反应和支持血管生成的天然能力；然而，它们自身的特性不足以解决广泛的骨骼缺损或血管化不良的微环境问题。

**结论与未来展望**
骨骼再生领域正在经历从简单骨传导材料向复杂动态再生微环境工程的转变。现有大量证据表明，天然支架为此提供了坚实的基础。这些支架使得设计出能够紧密模拟内源性愈合过程的多模式系统成为可能。这些协同效应源于机械、生化和免疫信号通路之间的相互作用[151]。

**作者贡献声明**
Helia Hajihassani：撰写原始草稿。Naser Farrokhi：撰写原始草稿。Aysan Rezazadeh：撰写原始草稿。Mohammad Soheil Aligol：撰写原始草稿。Hosein Shahsavarani：撰写与编辑、概念化。

**参与同意**
不适用。

**伦理批准**
不适用。

**资金支持**
本研究部分得到了Shahid Beheshti大学（编号S/600/2227）的资助。

**利益冲突声明**
作者声明没有利益冲突。