生物活性支架在骨质疏松性骨缺损修复再生中的研究进展

Abstract

目的

对生物活性支架在骨质疏松性骨缺损修复再生的研究进展进行综述。

方法

查阅近年关于生物活性支架用于骨质疏松性骨缺损修复的相关文献，总结生物活性支架类型及其修复方法。

结果

生物活性支架为骨质疏松性骨缺损修复提供了新策略，包括磷酸钙陶瓷支架、水凝胶支架、3D打印生物支架、金属支架、聚合物支架和骨类器官等，均表现出良好的骨修复促进作用。然而，在骨质疏松症病理骨微环境中，单一材料支架在促进骨再生方面的能力有限。因此，生物活性支架的设计需综合考虑材料的生物相容性、机械性能、生物活性、骨传导性和成骨诱导性。此外，通过物理、化学表面修饰与先进生物技术手段有助于改善成骨微环境，促进成骨细胞的分化。

结论

随着科技的进步，3D生物打印、骨类器官等技术与先进生物技术的协同应用，有望为骨质疏松性骨缺损的修复与再生提供更高效的生物活性支架。

骨质疏松症（osteoporosis，OP）是一种以骨量减少、骨组织微结构损坏，导致骨脆性增加、骨折发生风险增加为特征的全身性骨病^[1-2]。我国流行病学调查显示50岁以上人群OP患病率为19.2%，而65岁以上人群患病率高达32.0%^[3-4]。随着我国人口老龄化加剧，OP患病率迅速上升，已成为一个重要的公共健康问题^[1，4]。骨质疏松性骨折是OP严重并发症，患者由于骨脆性增加和骨强度降低，日常活动中或受到低能量外力时即可能发生骨折^[5-6]。骨质疏松性骨折通常伴有不同程度骨缺损，此类骨缺损具有骨质差、骨愈合延迟、再骨折发生率高等特点^[7-9]，不仅增加了骨质疏松性骨折医疗成本，还为家庭和社会带来了沉重负担^{[4, 10]}。

目前，临床上能有效治疗骨质疏松性骨缺损的药物较少，主要采用骨移植修复并能获得良好疗效，但也存在增加手术创伤、手术时间、供体骨源有限、存在疾病传播风险以及免疫排斥反应等问题^[9-10]。为解决上述问题，近年来研究者们开发了多功能生物活性支架，以改善骨重建，促进骨质疏松性骨缺损的修复再生^[11-12]。现对用于骨质疏松性骨缺损修复再生的生物活性支架相关研究进展作一综述，以期为后续研究提供参考。

1. 生物活性支架理化性质

针对骨质疏松性骨缺损修复，理想的生物活性支架应能通过局部释放生物活性物质至骨缺损部位，促进骨再生，调控骨质疏松性骨缺损的成骨微环境，以实现优异的骨整合能力，最终促进骨缺损修复与再生。为此，生物活性支架的设计应着重优化材料物理、化学性质以及生物活性，主要包括以下五方面^[13-21]：① 良好生物相容性：支架应利于相关细胞黏附、增殖，并且避免在宿主体内引发免疫排斥反应等；② 优异的骨传导性和成骨诱导性：支架应能促进成骨相关细胞在其表面生长，并诱导其向成骨细胞分化；③ 适当的材料形态可塑性：支架应易于加工成与骨缺损相匹配的形状，增强与成骨细胞之间的相互作用，为细胞分化提供更多的生长空间；④ 良好的力学性能：植入骨缺损的支架应能承受正常负荷，在植入一段时间后仍能保持其形状，起到初始力学支撑作用；⑤ 良好的生物降解性：支架降解速率应与骨组织修复再生速率相匹配，且能够通过体内酶促反应或水解作用进行生物降解。

2. 生物活性支架类型

2.1. 磷酸钙生物陶瓷支架

磷酸钙生物陶瓷材料，如羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）和双相磷酸钙（biphasic calcium phosphate，BCP）等，因化学组成与骨矿物质相似，广泛应用于骨缺损修复^[22-23]。研究表明，HA是自然界中存在的磷酸钙形式，是人体骨骼中最丰富的无机成分，因而被视为理想的生物支架材料^[24-25]。Zhao等^[26]的研究设计并制备了具有晶须结构的掺锶（Sr）的HA生物陶瓷，以及由纯HA晶须构成的生物陶瓷。结果表明，与纯HA晶须构成的生物陶瓷相比，掺Sr的HA生物陶瓷能有效促进OP大鼠局部骨缺损修复再生。BCP是由一定比例的HA与β-磷酸三钙构成，近年研究显示BCP陶瓷复合材料在促进成骨细胞增殖、生物相容性、生物活性、骨传导及骨诱导性等方面具有显著优势^[27-28]。彭双麟等^[29]的研究建立了OP大鼠颅骨极量缺损模型并采用BCP修复，修复8周后以Micro-CT及HE、Masson染色检测骨形成，并与非OP大鼠模型进行比较，结果显示OP大鼠骨缺损获得修复，但尚未达正常SD大鼠。为进一步优化骨修复效果，研究者们也通过表面修饰磷酸钙生物陶瓷材料来控制材料孔隙率，实现生物活性物质有效缓慢释放，在骨质疏松性骨缺损修复中发挥重要作用^[30-31]。

2.2. 水凝胶支架

水凝胶根据来源可分为天然水凝胶与合成水凝胶，其三维网络结构类似于细胞外基质，具有均匀孔隙以及良好的水溶胀性、降解性^[32-33]。然而，传统水凝胶的应用条件较为固定，难以根据外界环境的变化动态调节性能，从而无法达到预期效果，限制了其使用。智能水凝胶是一种具有刺激响应特性的工程化材料，能够对多种外界刺激作出反应，如pH值、温度、酶、活性氧（reactive oxygen species，ROS）或外部电场等^[34-35]，为开发更先进、更智能的骨修复材料奠定了坚实基础。韩晶媛等^[36]研究制备了聚丙交酯-乙交酯/聚乙二醇/聚丙交酯-乙交酯三嵌段共聚物温敏水凝胶载β-烟酰胺单核苷酸水凝胶，该水凝胶具有良好温敏性，能在体外调节巨噬细胞向M2型极化，植入OP大鼠骨缺损部位后能显著提升骨密度和骨体积分数，从而促进局部骨修复。Li等^[37]设计了一种含有白藜芦醇和地塞米松的可注射热敏水凝胶系统。体外实验表明，该水凝胶能有效促进MSCs成骨分化，清除细胞内过量ROS，调节巨噬细胞极化，减轻炎症反应；体内实验表明，该水凝胶能调节免疫反应，促进成骨作用，治疗骨质疏松性骨缺损。

尽管水凝胶支架具有良好生物相容性，但其机械性能不足的缺点限制了实际应用，因此在制备过程中需对其力学性能进行弥补或增强。例如，Nie 等^[38]通过将壳聚糖/明胶水凝胶与 BCP 纳米颗粒（biphasic calcium phosphate nanoparticles，BCP-NPs）结合，成功制备了一种复合水凝胶。结果显示随着 BCP-NPs 含量增加，该复合水凝胶抗压强度可达 2.5 MPa，接近骨组织应力参数；与低 BCP-NPs 含量的复合水凝胶相比，高 BCP-NPs 含量的复合水凝胶显著促进了BMSCs中ALP的生成，并在植入兔股骨头坏死病灶后观察到更多新生骨形成。此外，Sen 等^[39]通过将琼脂糖或琼脂糖-胶原水凝胶分别与不同比例的β-三磷酸钙包埋颗粒结合，制备了性能各异的复合水凝胶。结果显示随着β-三磷酸钙含量增加，复合水凝胶压力切线模量最高可达 300 kPa，机械性能较普通水凝胶显著提升，同时体外实验中能够有效促进人BMSCs增殖及成骨分化。

2.3. 3D打印生物支架

骨质疏松性骨缺损部位和形状差异显著，传统制造方法制备的支架难以进行个性化、精准性修复。3D打印技术作为一种新型材料制备技术，可以精确控制生物支架宏观形态与微观结构，已成为复杂骨缺损修复支架研究的热点^[40-41]。Yan等^[42]开发了一种以EPLQLKM和SVVYGLR肽修饰的3D打印聚己内酯支架，支架中EPLQLKM肽能吸引BMSCs，而SVVYGLR肽则增强内皮祖细胞（endothelial progenitor cells，EPCs）血管分化，从而通过EPCs的旁分泌作用调节骨代谢，促进骨再生。进一步研究表明，该支架可促进EPCs向“H”型血管分化和BMSCs募集，协同促进成骨，在SD大鼠股骨髁骨质疏松性骨缺损中实现正常微血管和骨组织的再生，为治疗骨质疏松性骨缺损提供了一种有前景的治疗方案。除了对3D打印生物支架设计进行改良外，有研究尝试从涂层改良入手，以期达到增强骨科植入物在骨质疏松环境下性能的目的。例如，Li 等^[43]开发了一种整合雷帕霉素的水凝胶涂层，并成功构建了具备调控功能的3D打印生物活性假体界面。该界面通过显著上调骨质疏松来源BMSCs自噬水平（激活自噬），不仅恢复了增殖能力，还显著上调了成骨相关基因表达，从而增强了矿化能力。此外，水凝胶中嵌入的银纳米线展现出卓越抗菌性能，对金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌具有显著抑菌作用。其可通过自噬激活调控骨质疏松性BMSCs的分化方向，并结合抗菌和促进骨整合的功能。该研究为OP患者提供了一种高效的假体界面优化策略。因此，3D打印生物支架具有安全、有效的特点，且在临床应用中展现出广阔前景。

2.4. 金属支架

金属支架（如钛和钽）凭借优良的生物相容性、耐腐蚀性及力学性能，已广泛应用于负重长骨和椎体的骨缺损修复^[44]。然而，这类传统金属支架仍存在一些局限性^[45-46]。① 弹性模量不匹配：金属支架弹性模量较低，易导致应力屏蔽效应，引起假体周围骨吸收或骨折；② 感染风险增加：多孔结构虽然有助于骨长入，但也为细菌定植提供了理想场所，可能导致感染扩散；③ 骨质疏松微环境的挑战：患者BMSCs数量减少且功能受损，增殖和成骨分化能力降低，导致支架与周围骨组织整合不足，容易引发无菌性炎症和松动。

为解决上述问题，近年来复合金属支架成为研究热点。研究者试图通过在金属支架加载生物活性物质或复合金属离子，增强支架成骨诱导效果。例如，Wang 等^[47]开发了一种含BMP-2和骨保护素的热敏水凝胶，并将其注入Ti6Al4V 多孔支架中。研究显示该复合支架显著促进成骨分化并抑制破骨细胞活化，从而改善骨质疏松性骨缺损的骨长入与骨整合。Zhao 等^[48]则利用 Mg²⁺构建了一种双磷酸盐功能化的可注射水凝胶微球。体内、外实验表明，该微球通过刺激成骨细胞和内皮细胞，有效促进了成骨分化和新生血管生成，为金属离子在OP治疗中的应用提供了新思路。

此外，随着技术的进步，金属基 3D 打印支架逐渐成为研究前沿。例如，Ma 等^[49]将3D打印的多孔钛合金支架浸泡在含胶原和HA前体的矿化液中，在支架表面形成仿生矿化胶原。该支架不仅具有与人体骨组织相似的机械性能，还能显著增强BMSCs 成骨分化能力。但目前3D 打印金属支架仍面临以下挑战^[50-51]：① 材料单一性：传统多孔支架主要采用单一材料制备，这种材料选择难以同时满足人体骨组织的多成分结构和复杂力学性能需求，从而限制了支架的功能性；② 拓扑结构优化：如何设计更适合骨组织生长的支架拓扑结构是当前研究重点，现有支架结构在力学性能和细胞相容性之间难以达到最佳平衡，需要进一步探索和优化；③ 表面改性：现有金属支架在表面生物活性和相容性方面仍有较大提升空间，如何通过表面涂层、微纳结构加工或化学改性等手段增强骨细胞附着与分化能力，是支架改性技术研究的关键方向；④ 生物安全性：支架体内降解效率及潜在毒性风险仍需深入研究。解决上述问题将进一步推动金属3D 打印支架在骨质疏松性骨缺损治疗中的应用与发展。

2.5. 聚合物支架

聚合物主要分为天然聚合物及合成聚合物。其中，天然聚合物力学性能往往无法满足承重支撑需求，限制了其临床应用；合成聚合物力学性能更具有优势，已广泛应用于骨组织工程支架的研究中^[52]。常用的合成聚合物包括可降解材料，如聚己内酯、聚乳酸和聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly-lactic-co-glycolic acid，PLGA），以及不可降解材料，如聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）。

Rajan等^[53]研究了帕米膦酸封装的电纺聚己内酯/聚己内酯-聚乙烯乙二醇-聚己内酯/纳米羟基磷灰石支架修复OP大鼠临界颅骨缺损的效果。植入后12周，Micro-CT分析显示复合支架改善了骨组织整合，组织学检查结果进一步证实其具有用于骨质疏松性骨缺损修复的潜力。PLGA 是由聚乳酸和聚乙交酯开环共聚合成，通过改变两者比例可以获得不同形式的PLGA。为了解决HA在成骨应用中的局限性，通常将HA引入基于PLGA的系统中，以增强其生物活性。Yu等^[54]制备了一种负载Sr、镁（Mg）并掺杂HA的PLGA笼状结构（Sr/Mg@HA/PLGA-CAS）支架。研究表明，这种支架能够显著激发成骨前体细胞的成骨活性，并促进内皮细胞的血管生成，同时抑制破骨细胞的体外分化，展现出在骨质疏松性骨缺损治疗中的潜在应用价值。

PEEK 是一种聚芳族半结晶热塑性聚合物，具有良好机械性能，已被广泛用作制备骨科植入物的原材料^[55]。Zhang等^[56]制备了一种改性PEEK植入物，通过聚多巴胺（polydopamine，PDA） 表面覆盖PEEK构建PEEK-PDA，并复合Sr以构建多功能生物活性植入物（PEEK-PDA-Sr）。结果显示该改性的PEEK支架具有良好生物相容性，可有效调节细胞内ROS水平和巨噬细胞分化，促进BMSCs成骨分化，增强骨质疏松性骨缺损骨整合和成骨能力。

2.6. 骨类器官

近年来，骨组织工程技术的迅速发展显著提升了骨缺损修复水平。然而，骨再生研究依然面临诸多挑战，包括骨质疏松条件下骨组织再生困难及骨再生调控机制尚未明确，制约了对骨修复再生的深入研究。骨类器官是一种特殊复杂的硬组织，通过在体外三维培养细胞构建出可模拟骨结构和功能的组织。其产生的细胞外衍生物表征了类器官的微环境，并可借助组织工程技术在体外构建用于研究骨组织病理生理特性的模型，为病理性骨缺损制定治疗策略^[57]。Wang等^[58]利用生物打印技术制备了一种新型骨类器官模拟物，该模拟物由甲基丙烯酸明胶、甲基丙烯酸海藻酸盐及HA组成，能促进骨细胞外基质形成和成骨分化，进而修复骨缺损。

类器官技术作为一种新兴的骨骼系统疾病诊疗与修复策略，展现出巨大的临床转化潜力。随着研究者对骨微环境复杂性的深入探索以及生物打印技术在骨类器官培养中的逐步成熟，大尺寸、功能增强的骨类器官设计有望实现。这将有助于构建更加真实可靠的体外模型，并能够精确调控干细胞的增殖、分化、迁移等多方面行为，为骨质疏松性骨缺损的修复提供全新研究工具和实验技术^{[57, 59]}。

3. 小结及展望

目前，在OP患者复杂病理环境中，植入物与宿主骨的骨整合、修复再生能力减弱，仍然是限制骨质疏松性骨缺损修复再生的瓶颈。因此，开发有效的治疗策略以促进骨再生显得尤为重要。在此背景下，生物活性支架的应用日益受到关注。这些支架不仅为细胞提供支撑，还能通过释放生物活性因子调节成骨微环境，从而促进骨再生。例如，采用水凝胶、聚合物支架与无机材料（如HA）复合，可以形成具备良好生物相容性和骨导性的支架，支持细胞附着与增殖，并促进细胞外基质生成。此外，生物活性支架还可通过物理和化学表面修饰或生物技术手段引入成骨因子，以改善成骨微环境，促进骨细胞的分化和功能发挥。

生物活性支架研究方向可能包括两方面：首先，探讨不同材料组合对成骨微环境的影响，尤其是如何通过调节支架的孔隙结构和生物活性因子的释放速率，实现更优的骨再生效果。其次，研究支架在体内的降解特性与骨再生关系，优化支架的降解速率，以匹配新骨形成速度。此外，随着生物打印技术的发展，利用3D生物打印技术构建个性化支架，尤其是骨类器官的构建，将通过精确控制支架的微观结构，更好地模拟自然骨组织，这可能成为未来研究热点。因此，综合运用先进的材料合成技术、生物技术和再生医学，深入研究生物活性支架在不同病理骨微环境下的分化机制，有望为骨质疏松性骨缺损的治疗提供新策略和方向。

利益冲突　在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突；项目经费支持没有影响文章观点及其报道

作者贡献声明　沈彬：综述设计、构思及修改；吴元刚：撰写文章；孙凯博、曾羿：收集资料和查阅文献，对文章结构、逻辑提供建议

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国家自然科学基金资助项目（82402867）；国家重点研发计划项目（2023YFB4606700）；成都市科技局资助项目（2024-YF05- 00217-SN）

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