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可注射双交联骨水泥用于骨质疏松性骨再生的研究进展
作者及单位：
本研究由华东理工大学材料科学与工程学院超细材料教育部重点实验室的Lingfei Zhao、Chenyu Liu、Xing Chen等团队，与上海瑞邦生物材料有限公司（Shanghai Rebone Biomaterials Co., Ltd）的Zihan Wu合作完成，通讯作者为Changsheng Liu和Yuan Yuan。研究成果发表于期刊《Bioactive Materials》2025年第43卷（441–459页）。
学术背景
研究领域：
本研究属于生物材料与骨组织工程领域，聚焦于骨质疏松性骨缺损的微创治疗。骨质疏松症（osteoporosis）的核心病理是破骨细胞（osteoclasts）过度活化导致骨吸收-形成失衡，传统骨水泥（如PMMA和CPC）因生物惰性、机械性能不足、缺乏骨微环境调控能力，难以实现有效修复。
研究动机：
现有骨水泥无法同时满足以下需求：
1. 力学适配性：传统材料（如PMMA）模量过高易导致应力遮挡，而CPC脆性大；
2. 骨整合能力：缺乏主动粘附机制，界面结合弱；
3. 微环境调控：无法抑制破骨细胞活性或改善酸性微环境。
研究目标：
开发一种可注射双交联骨水泥（PEGS/CPC@ALN），通过以下机制实现骨质疏松性骨再生：
- 力学增强：聚甘油癸二酸酯（PEGS）与磷酸钙水泥（CPC）形成有机-无机互穿网络；
- 骨粘附：阿仑膦酸钠（ALN）通过氨基与骨表面钙离子双键合；
- 微环境调节：CPC缓冲酸性环境，ALN抑制破骨细胞活性并促进成骨分化。
研究流程与方法
1. 材料制备与表征
- PEGS合成：以双（四丁基铵）癸二酸酯（TBAS）为催化剂，通过环氧开环聚合反应制备PEGS，经核磁（¹H NMR）、红外光谱（FTIR）和凝胶渗透色谱（GPC）验证结构。
- 骨水泥配方：将PEGS与CPC按质量比2:8混合，加入交联剂赖氨酸二异氰酸酯（LDI）和ALN，形成五组不同ALN载量的骨水泥（A0–A4）。
- 性能测试：
- 流变学：振荡时间扫描测试固化动力学（37℃下存储模量G′与损耗模量G″变化）；
- 机械性能：压缩试验（ISO 5833标准）和疲劳测试（100次循环加载）；
- 粘附性：骨-骨水泥界面剪切强度测试（ASTM F2255）和180°剥离试验（ASTM F2256）。
2. 体外生物学评价
- 破骨细胞抑制：
- TRAP染色：量化抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）阳性多核细胞；
- 微环境调节：pH探针检测ALN释放对破骨细胞分泌H⁺的抑制；
- 基因表达：qRT-PCR分析NFATc1、CTSK等破骨细胞标志基因。
- 成骨促进：
- CCK-8检测：BMSCs增殖活性；
- ALP/ARS染色：碱性磷酸酶（ALP）和茜素红（ARS）定量矿化结节；
- 钙离子释放：ICP-AES测定CPC的持续Ca²⁺释放。
3. 体内骨修复实验
- 动物模型：12月龄SD大鼠卵巢切除（OVX）诱导骨质疏松，建立股骨缺损模型（n=5/组）。
- 分组处理：空白组、PMMA组、CPC组、A0（无ALN）、A3（最佳ALN载量）。
- 评估方法：
- Micro-CT：骨体积分数（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）等参数；
- 组织学：H&E、Masson、TRAP染色；
- 免疫组化：骨桥蛋白（OPN）、骨钙素（OCN）表达分析。
主要结果
力学与粘附性能：
- A3组压缩模量较CPC提高200%（1.2 GPa vs 0.4 GPa），能量耗散效率（EDE）提升100%；
- 骨-水泥界面剪切强度达153 N，优于PMMA（76 N），归因于ALN的双重键合机制（氨基-钙离子）。
微环境调控：
- 破骨抑制：A3组TRAP⁺细胞减少70%，CTSK基因表达下调2.5倍；
- 成骨促进：BMSCs的ALP活性提高3倍，Ca²⁺持续释放28天。
体内修复效果：
- Micro-CT：A3组12周时BV/TV达38.5%，显著高于CPC组（29.2%）；
- 组织学：新骨长入A3骨水泥孔隙，TRAP⁺细胞减少，OPN表达上调。
结论与价值
科学意义：
1. 提出“药物-材料协同”策略，通过ALN连接有机-无机网络，同时调控力学性能和生物学功能；
2. 首次实现骨水泥对骨质疏松微环境的动态调节（酸性缓冲+破骨抑制）。
应用价值：
1. 为骨质疏松性骨缺损提供微创治疗方案，避免开放手术风险；
2. 材料组分（PEGS、CPC、ALN）均具临床转化潜力。
研究亮点
- 创新设计：双交联网络（化学交联PEGS+物理吸附CPC）与ALN的双功能化；
- 方法学：开发了模拟骨质疏松微环境的体外评价体系（pH探针+动态Ca²⁺监测）；
- 转化潜力：材料制备工艺简单，符合临床操作规范（注射时间窗口12–20分钟）。
（报告总字数：约1800字）