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文章名稱：A Pseudo-Mytilus Edulis Foot Protein-Based Hydrogel Adhesive with Osteo-Vascular-Immune Coupling Effects for Osteoporotic Bone-Implant Integration

中文名稱：一種基于“擬貽貝足蛋白”的水凝膠粘合劑：通過骨-血管-免疫耦合效應，用于骨質疏松性的骨- 植入物整合

雜志名：Advanced Materials

期刊影響因子：

第一作者：Wentao Wang

通訊作者：Jiaxiang Bo

發表日期：2025.11

https://doi.org/10.1002/adma.202511840

研究內容

概述：

在骨質疏松患者中，骨植入物初始穩定性往往很差，再加上骨-植入界面巨噬細胞偏向促炎的M1表型，使得骨-免疫穩態和血管生成受到破壞，最終導致植入物松動或失敗。

受海洋貽貝（Mytilus edulis）足部蛋白粘附機制的啟發，本文開發了一種 pH 響應型多功能骨膠（稱為 YDC-Gel-Zn），它具有廣譜粘附能力，用于改善骨質疏松條件下的骨-植入物整合。

這種仿生骨膠通過富含兒茶酚的序列實現雙界面粘附：①與金屬植入物形成穩定的金屬-酚配位 ②與骨基質通過氫鍵和邁克爾加成作用相互作用，從而增強初始固定力。

在骨質疏松炎癥微環境下，硼酸酯鍵和金屬-酚配位鍵逐步斷裂，使得Zn2? 和促血管/促骨肽（YDC）可控釋放。釋放的 Zn2? 能調節谷胱甘肽代謝，抑制JAK1/STAT1/NLRP3炎癥小體的激活，減少促炎細胞因子的產生，并重新校準骨-血管-免疫微環境。

由于對骨再生和血管生成有積極影響，該骨膠在骨質疏松大鼠模型中表現的固定強度大幅提高，能達到93%的健康骨-植入穩定性。

簡要

該研究開發了一種仿貽貝足蛋白的pH 響應型骨粘合水凝膠YDC-Gel-Zn，通過在炎癥微環境中釋放Zn2? 和促骨/促血管肽來改善免疫與血管環境，從而顯著增強骨質疏松條件下骨植入物的初始固定和整合。

研究背景

臨床上骨質疏松會導致骨密度降低和血管生成不足，使骨植入物（如釘/螺釘/關節假體）的初期穩定性差，易松動，并伴隨炎癥反應。其原因包括：植入物與骨組織間穩定性不足、局部炎癥微環境（M1巨噬細胞過度激活）以及缺乏有效的免疫-血管-骨多維調控策略等。應對這一問題，本文提出需要創造一種既能機械粘附又能生物功能調控炎癥與促進血管/骨再生的智能生物粘合材料。該策略受海洋貽貝足部蛋白粘附機制啟發，并結合生物活性分子設計了一款新型粘合水凝膠。

實驗方案

1.水凝膠材料的構建與表征

以擬貽貝足蛋白結構為基礎，引入富含兒茶酚基團的粘附單元，并通過可逆硼酸酯鍵構建動態交聯網絡，同時負載Zn2? 與功能性生物活性肽，制備得到YDC-Gel-Zn水凝膠。通過流變學測試、力學拉伸與壓縮實驗，系統評估其粘附強度、力學穩定性、自修復能力及環境響應特性。

2.界面粘附與環境響應測試

測試了水凝膠在濕潤環境下對鈦植入物和骨組織的雙界面粘附能力，驗證其在模擬體內條件下的穩定性。同時，通過調節pH條件模擬骨質疏松相關的炎癥微環境，評估Zn2? 和活性肽的響應性釋放行為。

3.體外細胞實驗設計

在體外實驗中，分別選用骨髓間充質干細胞、內皮細胞和巨噬細胞模型，系統評估水凝膠對成骨分化、血管生成及免疫極化的調控作用。通過檢測ALP活性、礦化結節形成、內皮管腔結構以及M1/M2巨噬細胞標志物表達，解析其多通路生物效應。

4.體內動物模型驗證

在體內實驗部分，采用去卵巢（OVX）骨質疏松大鼠模型，將涂覆水凝膠的鈦植入物植入股骨區域。通過micro-CT成像、組織學染色、免疫熒光分析及推拉力學測試，系統評估植入物周圍的骨形成、血管生成、炎癥狀態及力學固定強度。

CAR^mRNA@aCD206 sEVs制備過程示意圖

CAR^mRNA@aCD206在肺轉移癌中的靶向遞送及抗腫瘤機制。

實驗結果

1.仿生粘附性能顯著提升植入穩定性

基于擬貽貝足蛋白結構的水凝膠在濕潤環境下對骨組織和鈦植入物均表現出強粘附能力，可在植入早期提供穩定界面，為后續組織整合奠定基礎。

2.免疫微環境得到有效調控

水凝膠通過Zn2?的響應性釋放抑制M1型巨噬細胞極化，減輕炎癥反應，改善骨質疏松條件下不利的免疫微環境。

3.促進成骨分化與新骨形成

該材料顯著增強間充質干細胞的成骨分化能力，提高礦化水平和新骨生成質量。

4.增強血管生成能力，實現骨-血管耦合

水凝膠促進內皮細胞遷移和管腔形成，實現血管生成與骨再生的協同增強。

5.顯著改善骨質疏松情況下的植入效果

在骨質疏松動物模型中，涂覆水凝膠的植入物固定強度提升約194%，接近健康骨水平，有效降低植入失敗風險。

討論

該設計提供了一種有望克服骨質疏松條件下植入物松動失敗問題的材料策略，對未來臨床骨科植入物穩定性改善具有重要參考價值。

該工作核心創新點：

? 仿生粘合策略：以偽貽貝足蛋白為設計靈感，實現植入物與骨組織雙界面粘附

? 智能響應釋放：在炎癥環境中釋放Zn2?與促生長肽，進行免疫-血管-骨多維調控

? 顯著效果提升：在病理條件下（骨質疏松）顯著提升植入物固定與整合效果

論文中用到的NEST產品

實驗中使用到的耐思產品：GelNest基質膠

涉及實驗和細胞：成血管實驗

涉及實驗和細胞：成血管實驗，HUVECs在血管生成實驗中，使用GelNest? 基質膠作為三維培養支架。基質膠在4 ℃ 條件下緩慢解凍后，均勻鋪于預冷的24孔板中，并于37 ℃ 孵育1小時使其充分凝固，形成穩定的三維基底。隨后將 HUVEC 細胞接種于基質膠表面，在低血清條件下培養。培養6小時后觀察并記錄血管樣結構的形成情況，并通過圖像分析軟件對血管生成相關參數進行定量分析，用于評估基質膠對內皮細胞血管生成行為的支持能力。