由创伤或肿瘤切除引起的骨缺损修复是骨科临床的重大挑战。骨膜是一种覆盖皮层骨外表面的特殊结缔组织，在骨骼和软骨再生中起着关键作用，贡献了超过70%的再生过程。人工骨膜需要通过多功能整合实现抗菌防护、生物相容性骨骼修复、以及智能响应动态干预，以应用于复杂临床环境。然而，现有的多功能骨膜材料通常依赖于不同活性成分（如抗菌剂和成骨因子）的物理混合或分层掺入，这种复杂成分的组装常常导致功能单元分布不均、界面粘附薄弱、释放动力学失调以及功能成分容易失活，并伴有各组分间发生潜在化学反应风险。

近日，西北工业大学陈强教授&吴宏景教授&牛银波副教授在期刊《Advanced Fiber Materials》上，发表了最新研究成果“Artificial Periosteum with Balanced Antibacterial and Osteogenic Properties Regulated by NIR Radiation and Strontium Doping”。研究根据“结构-功能-响应”协同策略，设计了一种智能人工骨膜。首先通过溶胶-凝胶法将银纳米棒（AgNRs）封装在掺有Sr的介孔生物活性玻璃（BG@Sr）中，再通过“一锅”静电纺丝技术掺入聚乳酸/明胶纤维中，制备人工骨膜（PAR-Sr）。

设计思路如下：（1）结构设计：采用核壳结构，从物理上将光热/抗菌内核与成骨外壳隔离。其中，离子掺杂的外壳构成电荷调控网络，既能维持抗菌与成骨功能间的动态平衡，又可避免物理混合中常见的组分间化学干扰。（2）功能调控：近红外（NIR）辐照可激活双重响应机制，同步实现温度升高（> 50 °C）并触发温度调控的离子释放，协同抗菌。（3）宏观构筑：通过静电纺丝纤维基质组装多功能纳米颗粒，有助于增强纳米级组分的分散性、界面结合强度及协同生物功能，形成具有优化结构异质性的生物活性支架。

图1：PAR-Sr人工骨膜的设计思路

结果表明，Sr掺杂产生的带负电Si–O⁻和非桥接氧（NBO）键可有效调节Ag⁺释放动力学，防止突释。此外，PAR-Sr骨膜具有与人体骨膜相近的力学性能，并具备柔韧性、轻质性特点。体外研究结果表明，PAR-Sr在NIR照射下，具有33.8%的光热转化效率，并表现出显著的抗菌效力（>99%）。此外，PAR-Sr展现出卓越的生物相容性和成骨潜力，可以上调成骨相关基因表达、提高碱性磷酸酶（ALP）活性以及促进细胞外基质（ECM）矿化。在大鼠颅骨缺损感染模型中，PAR-Sr骨膜在近红外照射下表现出显著的骨整合能力，同时减少术后炎症反应。PAR-Sr人工骨膜的制备为骨科临床应用提供了一种有前景的治疗策略，用于预防种植相关感染并促进骨整合。

图2：AgNR@BG@Sr纳米颗粒的制备及表征。

如图2所示，通过溶胶-凝胶法制备了Sr掺杂的AgNR@BG@Sr纳米颗粒。基于密度泛函理论（Density functional theory, DFT）的电荷密度理论计算结果表明，Sr掺杂后，BG外壳的静电势提高，在Sr位点周围形成正电势屏障。颗粒的平均电荷密度从+1.478×10⁻⁴ e降低到-1.534×10⁻³ e，Sr²⁺取代Si⁴⁺后，由于价态差异会形成局部正电荷中心。这种电荷重排意味着静电排斥可能将Ag⁺捕获在MSN网络的介孔中，从而有望控制离子释放并降低细胞毒性。

图3：多功能PAR-Sr人工骨膜的制备及表征。

如图3所示，通过一锅静电纺丝法制备了掺杂AgNR@BG@Sr纳米颗粒的PAR-Sr人工骨膜。实验表明其具有与人体骨膜相似的力学性能、良好的亲水性能、以及长达21天的Ag/Sr离子的持续释放。此外，808 nm 处NIR照射可以加快Ag/Sr离子释放速率，Sr掺杂则可进一步减缓Ag离子的释放速率。

图4：PAR-Sr的光热性能和生物活性表征。

如图4所示，PAR-Sr具有良好的光热性能和生物活性。在808 nm NIR照射（1 W/cm2）下，PAR-Sr表面温度在5分钟内从30.7°C上升到54.6°C，光热转化效率为33.8%。

图5：PAR-Sr的抗菌性能表征。

如图5所示，PAR-Sr具有良好的光热抗菌性能和抗生物膜特性，在NIR照射下会导致细菌形态破碎、内容物流出；对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均超过99%。

图6：PAR-Sr的生物相容性能。

如图6所示，PAR-Sr具有良好的生物相容性能，体外溶血率<5%，细胞存活率>90%，细胞形态正常。在细菌-细胞共培养体系下实现了抗菌和细胞相容性能的平衡。

图7：PAR-Sr的体外成骨性能

图8：PAR-Sr的体内成骨性能

体内外实验结果显示，制备的PAR-Sr人工骨膜展现出良好的成骨性能，可以促进碱性磷酸酶（ALP）的表达和矿化结节的生成，并上调RUNX2、OCN、OPG、OST等成骨标志物的表达。显著促进骨缺损感染大鼠颅骨再生。

总之，PAR-Sr整合了光热响应离子释放、生物活性、成骨特性和抗菌性能，实现感染控制与组织再生之间的动态平衡。此外，其柔韧性、轻量化和适度的拉伸性使其适用于牙槽骨再生、关节修复和感染性颅骨缺损重建等应用

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s42765-025-00651-5

人物简介：

陈强，西北工业大学材料学院教授，博士生导师，国家级青年人才。曾获陕西省“杰青”、陕西省“青年科技新星”、西北工业大学“翱翔新星”等荣誉称号。研究方向包括仿生涂层材料、纳米药物递送材料、聚合物基功能涂层材料，具体涉及表面改性新方法、多尺度材料界面设计及合成、结构功能一体化以及改性材料服役可靠性评估等研究。以第一/通讯作者在材料领域主流期刊发表论文60余篇，授权/公开发明专利20余项。主持国家自然科学基金、军口国家级纵向项目等10项，其中牵头千万级重大项目2项，总经费逾5500万元。担任《Adv Compos Hybrid Mater》、《橡塑模具与装备》等期刊编委，《Biomaterials Translational》、《Advanced Manufacturing》、《飞机设计》等期刊青年编委。

吴宏景，西北工业大学物理科学与技术学院教授，博士生导师，基础物理中心副主任，省级领军人才，国际先进材料协会会士（FIAAM）。近五年以第一/通讯作者在Matter、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等期刊发表学术论文150多篇，其中34篇入选ESI高被引论文，7篇入选ESI热点论文，谷歌学术引用2万多次，H因子86；公开发明专利7项、授权4项；主编英文专著1部，共同主编教材1部，参编专著章节5章；获陕西高等学校科学技术优秀成果一等奖（R1）、Cell Press物质科学领域年度最受欢迎中国论文奖等荣誉，入选应用物理领域“全球前2%顶尖科学家”、英国皇家化学会期刊“Top 1%高被引中国作者”等榜单；担任《Electromagnetic Wave Science and Technology》创刊主编，Cell Press旗下SCI期刊《iScience》客座主编，Springer旗下SCI期刊《Journal of Materials Science: Materials in Electronics》编辑，《BIO Integration》、《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》期刊编委，《Nano-Micro Letters》、《Rare Metals》、《Advanced Powder Materials》青年编委。

牛银波，西北工业大学生命科学与技术学院副教授，博士生导师。国家公派哈佛医学院访问学者。主要研究方向：骨稳态失衡机制与干预策略研究。主持国家自然科学面上项目、国家自然科学青年项目、陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基金和博士后特别资助等10余项。以第一/通讯作者发表论文20余篇。担任《国际生物医学工程杂志》编委，陕西省天然药物学会常务理事，陕西省药理学会生化与分子药理学专业委员会常务委员。为国际华人骨研学会（ICMRS）终身成员，中国空间科学学会空间生命专业委员会成员，陕西省细胞生物学会（SSCB）成员。