基于骨水泥的微创再生疗法在骨缺损修复领域具有重要应用价值。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和磷酸钙骨水泥（CPC）是最常见的两种骨水泥。然而，PMMA骨水泥存在不可降解、不可吸收，以及在体内凝固时放热过多等固有缺陷。尽管CPC的成分与天然骨相似，但其力学性能较差、易溃散等缺点限制了实际应用。且这些可注射型骨水泥通常缺乏孔隙率，不利于细胞和血管的长入从而影响骨修复效果。近年来，微球化骨修复材料因其独特的优势备受关注。微球化骨水泥能够以最小侵入创口填充任何几何形状的缺损，并且自然堆叠的微球之间会形成微米级的孔隙。这些孔隙为内源性细胞提供了迁入和营养代谢的通道，同时有助于血管网络的形成。然而，现有单一组分体系如水凝胶或磷酸钙微球难以实现理想的骨修复效果。

  近日，华东理工大学刘润辉教授课题组设计了一种用于骨修复的仿生海藻酸钠/α-TCP有机-无机互穿网络微球。该研究选用α-磷酸三钙（α-TCP）作为无机组分，因其水合反应可在生理pH值条件下进行；且其水解生成的缺钙羟基磷灰石（CDHA）在晶体结构、化学组成和形态特征上与天然骨矿物更为接近。同时选用具有安全无毒的海藻酸钠（Alg）作为有机组分。值得注意的是，α-TCP释放的Ca²⁺不仅能促进缺损部位的矿化过程，还可作为海藻酸钠凝胶化的可靠钙源，从而确保复合材料的稳定性。该研究通过一步离心法制备了粒径均一可控的Alg/α-TCP复合微球，该微球具有天然骨相似的有机-无机互穿网络结构（图1b）。为进一步模拟细胞外基质（ECM）蛋白中的细胞粘附位点，该研究采用近期发现具有促进细胞粘附功能的阳离子-两亲性β-氨基酸聚合物DbaYKY-DM₅₀CO₅₀对微球表面进行修饰。体外实验表明，经修饰的Alg/α-TCP复合微球能有效支持细胞粘附、增殖，并实现一体化的细胞冻存、复苏与扩增。在大鼠股骨缺损模型中，该微球展现出优异的骨修复效果。

  2025年11月2日，该研究成果以“Bioinspired Alginate/α-TCP Organic-Inorganic Interpenetrating Network Microspheres for Bone Repair”为题发表在Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202524421）

图1：双仿生Alg/α-TCP复合微球

  该研究在800和1200 rpm两个转速下制备了不同α-TCP含量的Alg/α-TCP复合微球。白场显微图片和粒径定量分析表明相比于800 rpm，1200 rpm下四种不同α-TCP含量的复合微球粒径从422 ± 15 μm下降到370 ± 36 μm，且微球形状更接近球型。之前的研究表明粒径在100-400 μm下微球为细胞提供了充足的黏附空间有利于细胞铺展。因此，该研究选择1200 rpm作为后续制备复合微球的条件。（图2）

图2：Alg/α-TCP复合微球的制备

  为了评价Alg/α-TCP复合微球的韧性，该研究对纯α-TCP、纯Alg和不同α-TCP含量的复合样品进行穿刺测试，实验结果表明加入Alg的复合片状样品韧性显著提高。扫描电子显微镜（SEM）表明纯的海藻酸钠水凝胶表面光滑，随着α-TCP含量的增加，α-TCP颗粒出现在海藻酸钠网络中且分布愈发致密。能量散射光谱（EDS）结果表明α-TCP均匀分布在海藻酸钠网络上且Alg和α-TCP形成有机无机互穿网络结构。并且X射线衍射（XRD）结果表明无定形海藻酸钠的加入并没有改变α-TCP的化学结构。（图3）

图3：Alg/α-TCP复合微球的表征

  为了赋予复合微球生物活性，该研究利用之前报道的正电荷-疏水性两亲性β-氨基酸聚合物DbaYKY-DM₅₀CO₅₀去模拟天然细胞黏附肽。通过将复合微球一步浸入DbaYKY-DM₅₀CO₅₀溶液中实现表面改性，荧光胺测试和X射线光电子能谱（XPS）结果表明DbaYKY-DM₅₀CO₅₀的成功修饰。将前成骨细胞MC-3T3-E1与复合微球共培养，实验结果表明，未改性的复合微球几乎不支持细胞黏附，而DbaYKY-DM₅₀CO₅₀改性的复合微球可有效支持细胞黏附。细胞骨架染色结果表明0.5 A/T@Pol微球表面细胞可以充分铺展并且有着清晰的细胞骨架。细胞增殖实验结果表明该组复合微球可有效支持前成骨细胞增殖。（图4）

图4：DbaYKY-DM₅₀CO₅₀修饰的Alg/α-TCP复合微球的细胞黏附和增殖性能

  由于复合微球的高比表面积，复合微球可用于一体化的细胞扩增、冻存和复苏。当复合微球上的细胞融合率达到80-90%时加入相同数量的新复合微球为细胞扩增提供更多空间。实验结果表明，细胞逐渐迁移至新加入微球表面并持续增殖，到第7天时已实现近乎完全的表面覆盖。将0.5 A/T@Pol复合微球与细胞一起进行冷冻-复苏处理，经过冻融循环后，细胞活性在复苏首日降至冻存前水平的43%，但至第3天时已恢复至98%。（图5）

图5：DbaYKY-DM₅₀CO₅₀修饰的Alg/α-TCP复合微球的一体化扩增、冻存和复苏

  为了评价复合微球在体内的骨修复效果，该研究采用注射器将三种微球（Alg微球、0.5 A/T复合微球及0.5 A/T@Pol微球）分别植入大鼠股骨髁缺损模型，并于8周后评估骨修复效果。Micro-CT结果显示0.5 A/T及0.5 A/T@Pol组有更多的新骨生成。HE染色结果表明，Alg组微球仍保持相对完整的结构，与周围组织界限清晰。0.5 A/T组微球呈现部分降解且边界模糊，可观察到少量细胞浸润，这表明与纯Alg组相比，α-TCP的掺入赋予复合微球更优异的骨传导性与骨诱导性。而0.5 A/T@Pol组则展现出广泛的细胞长入，同时有新骨基质形成。（图6）

图6：Alg/α-TCP复合微球的体内骨修复

  华东理工大学研究生窦蒙悦是该论文的第一作者，刘润辉教授和陈琦特聘副研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心等基金的资助。

  论文链接：http://doi.org/10.1002/adfm.202524421