随着运动损伤、骨关节炎等疾病发病率的升高，骨软骨缺损已成为临床常见的骨关节系统病症。由于骨软骨组织天然存在从软骨到软骨下骨的异质性梯度，传统组织工程支架难以复刻天然组织的结构 - 力学 - 生化连续特征，无法有序调控内源性愈合进程，常导致界面整合差、修复组织功能不足等问题。开发兼具结构仿生、信号时序调控与免疫微环境调节能力的新型支架，是骨软骨再生领域的核心研究方向。
近日，北京航空航天大学李晓明教授、上海交通大学医学院附属第九人民医院肖圣钊博士为共同通讯作者在国际知名期刊Advanced Science发表题目为“Biomimetic Gradient Hydrogels Regulate Osteochondral Regeneration Microenvironment Remodeling via Spatiotemporal Programming Engineering”研究成果，受天然组织层级梯度与内源性愈合机制启发，通过电场驱动的时空编程策略构建了一种连续梯度功能水凝胶，可同时实现干细胞招募、血管化成骨、软骨分化与免疫微环境重塑的多效协同，在大鼠与兔骨软骨缺损模型中实现了高质量的功能性修复。
研究核心内容
1.电场驱动构建连续梯度水凝胶平台
研究团队以聚乙烯醇（PVA）、苯硼酸修饰海藻酸钠（SA-PBA）与富含β-折叠的丝素纳米纤维（BSNF）为基底，通过可逆硼酸-二醇动态键构建了纳米纤维增强的自适配水凝胶基质。利用带负电的BSNF在外加电场下向阳极定向迁移的特性，结合溶胶-凝胶转变过程的原位固化，成功制备出成分、微观结构、力学性能连续渐变的整体式梯度水凝胶，从根源上避免了传统双层/多层支架易发生界面分层的缺陷。
为实现生物活性信号的时空精准调控，团队将负载BMP-2、TGF-β3的ZIF-8纳米粒分别引入骨仿生层与软骨仿生层前驱液，同时在骨仿生层预包埋PDGF-BB，通过电场驱动实现两相前驱液的无缝融合，最终得到功能化梯度水凝胶GHZF4。该体系可匹配内源性愈合时序：骨仿生区实现PDGF-BB早期突释、BMP-2长期缓释，介导血管化成骨；软骨仿生区实现TGF-β3持续释放，诱导软骨分化，同时避免血管侵入软骨区域。
材料表征结果显示，ZIF-8纳米粒呈均一菱形十二面体形貌，改性后粒径约180 nm，生长因子包载稳定；梯度水凝胶从阴极侧到阳极侧孔隙率逐步降低，压缩模量梯度提升；水凝胶兼具优异的自修复能力（200%大应变后力学性能快速恢复）、组织粘附性能与应力松弛特性，可适配关节动态力学环境，并支持细胞介导的基质重塑。
图1. 连续梯度水凝胶的制备流程示意图
2. 体外多效生物学功能验证
高效干细胞招募与血管生成
GHZF4水凝胶具备良好的细胞相容性，其连通的多孔结构与动态可重塑基质可为细胞迁移浸润提供有利微环境。得益于PDGF-BB的早期突释、梯度结构的拓扑引导作用与缓释Zn²⁺的协同效应，GHZF4可显著促进骨髓间充质干细胞（BMSC）与血管内皮细胞的定向迁移，提升内皮细胞成管能力，上调HIF-1α、VEGF等血管生成关键基因与蛋白的表达，为软骨下骨的血管化再生提供支撑。
图2. 水凝胶的体外细胞募集与血管生成性能
分区诱导骨软骨双向分化
通过生长因子的区域化时序释放，GHZF4可同步引导干细胞向成骨与成软骨双谱系定向分化：成骨标志物OPN、RUNX2与成软骨标志物SOX9、ACAN的蛋白表达均显著上调；茜素红染色与阿利新蓝染色结果证实，支架可同时促进钙结节沉积与糖胺聚糖分泌，匹配软骨与软骨下骨的差异化再生需求。
图3. 梯度水凝胶介导的软骨生成和成骨分化
抗炎抗氧化的免疫调控作用
针对骨软骨缺损处的炎症氧化病理微环境，GHZF4通过ROS响应性硼酸键与持续释放的 Zn²⁺协同发挥作用：可有效清除胞内活性氧，下调促炎因子IL-1β、IL-6的表达，推动巨噬细胞从促炎M1型向修复型M2极化。极化后的M2巨噬细胞可进一步分泌内源性VEGF、BMP-2等再生因子，形成免疫调控促进组织再生的正反馈循环。
图4. GHZF4的体外抗氧化、抗炎及骨骼调节作用
3. 体内骨软骨功能修复验证
研究团队分别通过大鼠膝关节骨软骨缺损模型与兔膝关节骨软骨缺损模型，从组织形态、基质成分、生物力学等多维度验证了修复效果。
大鼠模型（5/10周）：植入10周后，GHZF4组缺损处被光滑平整的新生组织填充，与宿主组织实现无缝整合；Micro-CT定量显示新生软骨下骨的骨体积分数（BV/TV）、骨小梁厚度、骨密度均显著优于各对照组；Wakitani组织学评分与ICRS宏观评分均为各组最优。天狼星红偏振光分析证实，新生软骨的胶原纤维排列高度复刻天然组织特征：表层纤维平行于关节面、深层纤维垂直走向，重现了天然软骨的各向异性层级结构。
图5. 在大鼠膝关节模型中，于术后5/10周用不同水凝胶修复骨软骨缺损
兔模型（12/24周）：在更贴近临床生理的大动物模型中，GHZF4组24周时的软骨下骨再生量、软骨基质沉积水平均接近天然组织；纳米压痕测试显示，修复组织的压缩模量与硬度和正常软骨无统计学差异，可满足关节力学承载需求；CD31与α-SMA免疫荧光结果证实，缺损处新生血管丰富且成熟度高，验证了支架介导的血管化骨修复效果。
4. 转录组层面的机制解析
通过对修复组织进行转录组测序分析发现，GHZF4水凝胶可显著上调免疫调控、白细胞迁移、血管生成与骨软骨分化相关的信号通路（如PI3K-Akt、JAK-STAT、NF-κB等），从分子层面印证了支架通过“免疫微环境重塑-内源性干细胞招募-血管生成-骨软骨定向分化”的级联效应推动骨软骨再生的作用机制，与体外功能实验和体内再生表型高度一致。
图6. 再生骨软骨组织的转录组分析揭示水凝胶介导的再生分子途径
研究意义与应用前景
该工作提出的时空程序化梯度水凝胶策略，将结构仿生、生物活性因子时序控释与免疫微环境调控整合于同一支架体系，在无细胞接种的前提下实现了高质量的骨软骨功能修复，为复杂梯度组织的再生支架设计提供了新的设计思路与实验依据，在运动损伤、骨关节炎等导致的骨软骨缺损临床修复中具有广阔的转化应用前景。
论文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.76469
作者简介
李晓明，北京航空航天大学教授、博士生导师，教育部新世纪优秀人才、北京市科技新星、霍英东青年教师基金获得者，多次入选美国斯坦福大学与爱思唯尔数据库发布的全球前2％顶尖科学家榜单的“终身科学影响力排行榜”以及“年度科学影响力排行榜”。
主要从事组织修复材料、药物控制释放和靶向治疗、组织再生工程等相关的教学科研工作，近年来通过主持国家自然科学基金、国家重点研发计划等20余项纵向国家及省部级科研项目，获省部级技术发明一等奖；获授权国家发明专利10余项；以第一作者或通讯作者发表SCI科研论文120余篇，被SCI他引5500余次，15篇超过100次，10篇被收录为ESI高被引论文；出版中文专著2部、英文专著2部。担任中国生物材料学会智能仿生生物材料分会首届和第二届副主任委员；国际学术杂志Tissue Engineering、中国修复重建外科杂志等国内外杂志的编委；International Journal of Polymer Science、Biomimetics等SCI杂志的Lead Guest Editor；Science等杂志的稿件评审人。
