海军军医大学第一附属医院章浩《AM》：微动驱动的“机械-电学-药物耦合”骨引导膜调节糖尿病骨折下的应力集中性炎症

摘要：压电材料将骨折部位的微机械能转化为电信号，从而调节应力集中炎症，已成为治疗糖尿病骨折的有前景的治疗策略。然而，传统的骨引导膜由于其被动且不精确的药物释放特性，在糖尿病骨折修复中常常面临挑战。

压电材料将骨折部位的微机械能转化为电信号，从而调节应力集中炎症，已成为治疗糖尿病骨折的有前景的治疗策略。然而，传统的骨引导膜由于其被动且不精确的药物释放特性，在糖尿病骨折修复中常常面临挑战。

近期，海军军医大学第一附属医院章浩等人在一项突破性研究中成功开发出一种基于“机械-电学-药物耦合”的骨引导膜（Met-PF@PPy），为糖尿病骨折修复的主动调控提供了创新解决方案。海军军医大学第一附属主治医师隋钧皓为第一作者，许硕贵教授、章浩副教授和上海交通大学医学院附属第九人民医院张晓晨为通讯作者。该团队构建了一个名为Met-PF@PPy的“机械-电-药耦合”系统，通过该系统将骨折断端微动产生的机械能转换为电信号，重建骨折断端破坏的电微环境，将糖尿病患者骨折断端微动明显这一不利因素逆转为电微环境这一促愈合的有利因素。并且这种转换不依赖外部电源，由骨折断端自然形成的微动源源不断产生。产生的电信号通过M1到M2巨噬细胞极化抑制炎症，同时增强成骨。同时，Met抑制NF-κB通路以减少促炎细胞因子，同时激活AMPK通路以促进成骨和血管生成。

相关文章以标题为“Micromotion-Driven “Mechanical-Electrical-Pharmaceutical Coupling”Bone-Guiding Membrane Modulates Stress-Concentrating Inflammation Under Diabetic Fractures”发表在《Advanced Materials》。

【Met-PF@PPy的构建及验证实验】

本研究通过电纺丝法制备压电PVDF骨引导膜，探讨了糖尿病患者骨折端独特的微机械环境。进一步将二甲双胍（Met）作为掺杂剂通过原位氧化聚合引入到聚吡咯涂层中，制备出一种由微运动驱动的力-电-药物耦合骨引导膜（图1a)。基于上述背景，进行了以下实验以验证Met-PF@PPy的修复效果。通过体外细胞实验研究了骨引导膜产生的电信号对干细胞成骨分化和巨噬细胞极化的影响及机制。此外，还使用了糖尿病小鼠股骨骨折模型来验证微运动在骨折端产生的电刺激和药物释放对促进骨折愈合的有效性。该策略利用骨折微动产生的机械能，通过PVDF膜的压电特性将其转化为电信号，进而激活PPy的电化学还原，触发精确的药物释放。通过提供炎症调节和骨修复的协同解决方案，这一创新设计为应对糖尿病骨折愈合的多方面挑战提供了新途径，并为压电材料在再生医学中的广泛应用铺平了道路。

图1 Met-PF@PPy的制备工艺示意图及其在小鼠糖尿病骨折修复中的应用。a）通过静电纺丝制备Met-PF@PPy。b）Met-PF@PPy对糖尿病骨折的修复机制。

【Met-PF@PPy骨引导膜的合成及表征】

如前所述，本研究通过电纺丝法制备压电PVDF骨引导膜，进一步将二甲双胍（Met）作为掺杂剂通过原位氧化聚合引入到聚吡咯涂层中，制备出一种由微运动驱动的力-电-药物耦合骨引导膜，具有良好的压电性能和生物相容性。该骨引导膜具有优良的导电性、稳定性、高亲水性和可控性，能将机械能转化为电能，促进骨组织愈合、血管生成并抑制炎症。Met-PF@PPy的合成及表征结果如图2 所示。

图2 Met-PF@PPy的合成及表征

【Met-PF@PPy骨引导膜的抑制炎症性能】

在体外实验中，Met-PF@PPy展现出卓越的抗炎效果。研究结果表明，Met-PF@PPy促进巨噬细胞向抗炎M2表型的转移。Met-PF@PPy对CD86的下调和CD206的上调突出了其引导巨噬细胞向修复性M2亚型转化的能力，这对于糖尿病条件下的有效组织愈合至关重要。测序分析表明Met-PF@PPy治疗后，M1巨噬细胞极化相关炎症通路，包括MAPK信号通路、Toll样受体信号通路、NF-κB信号通路的表达均被显著抑制。Met-PF@PPy可以减轻M1巨噬细胞的激活和随后ROS的产生，而不会阻碍巨噬细胞的募集。作为一种免疫调节生物材料，Met-PF@PPy可以调节巨噬细胞极化而不是消耗巨噬细胞，从而促进与糖尿病相关的组织愈合。其评价Met-PF@PPy的抗炎性能结果如图3 所示。

图3 Met-PF@PPy体外抗炎性能评价

【Met-PF@PPy骨引导膜的促骨愈合性能】

通过评估ALP活性，钙沉积和骨生相关基因的表达，检查了各组材料处理后rBMSCs的成骨分化能力。图4 显示Met-PF@PPy组ALP活性明显高于对照组。结果显示Met-PF@PPy组相对于其他组，钙沉积增加且分布均匀，提示Met-PF@PPy诱导的免疫微环境更有利于rBMSCs成骨分化。此外，我们检测了几个成骨必需基因的表达，包括ALP、RUNX2、BMP2、OPN、OCN和COL1。这些发现一致证实Met-PF@PPy具有优异的骨诱导特性。其评价Met-PF@PPy的促骨愈合性能结果如图4 所示。

图4 Met-PF@PPy体外促骨愈合性能评价

【总结与展望】

该研究介绍了一种通过Met-PF@PPy纳米骨导向膜实现的“力-电-药物耦合”系统。该系统通过植入到糖尿病患者骨折断端，将骨折断端微动源源不断产生的机械力转化为局部电信号，重建局部电微环境；同时，精确、受控地释放二甲双胍，动态调节炎症和成骨微环境，解决糖尿病骨折愈合的多方面挑战。研究结果强调了整合生物力学刺激、电信号传导和靶向药物递送在炎症环境下骨折修复中的重要性。此外，来自微运动研究的见解强调了受控机械力在优化骨折愈合结果方面的重要性，特别是对于小间隙骨折。未来的研究可以探索进一步优化材料设计及其对其他具有挑战性的临床条件的适用性，为个性化和适应性骨修复疗法的创新铺平道路。