摘要：随着人口老龄化的加剧，关节疾病已成为影响人类健康的重要问题。关节疾病不仅严重影响患者的生活质量，还给医疗系统带来巨大负担。生物材料在关节疾病治疗中扮演着关键角色，新型生物材料的研发为关节损伤修复和骨关节感染防治提供了新的治疗策略。本文检索了近三年（2022-2

随着人口老龄化的加剧，关节疾病已成为影响人类健康的重要问题。关节疾病不仅严重影响患者的生活质量，还给医疗系统带来巨大负担。生物材料在关节疾病治疗中扮演着关键角色，新型生物材料的研发为关节损伤修复和骨关节感染防治提供了新的治疗策略。本文检索了近三年（2022-2024）PubMed收录发表在Q1杂志的关节领域材料学研究文献，并重点从关节软骨修复、骨关节感染防治以及假体材料优化三方面综述最新研究进展。

骨关节炎（OA）是以关节软骨逐渐退化和磨损为特征的退行性疾病，由于关节软骨缺乏血管和神经，自我修复能力有限，因此寻找有效的软骨修复材料成为生物医学工程领域的一个重要研究方向。近年来，随着材料科学和组织工程的快速发展，多种新型材料被设计和合成用于关节软骨的修复和再生。本部分总结和探讨用于关节软骨修复的多种生物材料，包括水凝胶材料、纳米材料、载药递送系统以及3D打印技术等，以展示这些生物材料的最新研究进展和潜在的临床应用。

1.1 水凝胶

水凝胶因其独特的物理和化学性质，如高含水量、良好的生物相容性、可调控的力学性能和可降解特性，成为软骨修复领域中最有前景的材料之一。水凝胶的高含水量使其能够模拟软骨的自然环境，而其可调控的力学性能则能够满足不同关节部位的需求。近年来研究主要聚焦于新型复合水凝胶的设计（双网络水凝胶等）、生物功能化策略（整合负载生物因子）以及先进制造技术（3D打印技术）等方面，并着重于推动水凝胶材料用于骨关节软骨修复的临床转化。

新型复合水凝胶的设计聚焦于优化水凝胶的机械强度、降解调控、生物相容性以及生物活性等。在一项研究中，通过Hofmeister效应处理基于聚乙烯醇/聚丙烯酰胺（PVA/PAM）的双网络（DN）水凝胶，显著提高了水凝胶的拉伸强度、压缩强度、拉伸模量、压缩模量和韧性，这些特性使其成为关节软骨替代的可行材料[1]。Zheng等学者开发了一种基于明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）和丝素蛋白（SF）的互穿网络（IPN）复合水凝胶[2]，通过紫外线照射和乙醇处理制备的GelMA/SF水凝胶在机械强度、生物相容性以及支持骨髓间充质干细胞（BMSCs）软骨生成方面表现出色。在另一项研究中，Klara等学者研发了另一种用于修复软骨缺陷的丝素蛋白增强的双重交联水凝胶[3]，通过海藻酸钠（SA）和丝素蛋白（SS）的结合，为软骨损伤的原位修复提供了一种有效的解决方案。通过改变SS含量来调节水凝胶的降解速率，以匹配软骨再生的速率。

在水凝胶的生物功能化策略方面，有学者使用机械切割甲基丙烯酸透明质酸（HAMA）和硫酸化HAMA（SHAMA），并通过酶促交联制备出含有生长因子（GFs）沉积的异质颗粒水凝胶[4]。这种水凝胶显示出增加的基质沉积和软骨组织成熟，与大块或均匀颗粒水凝胶相比，添加生长因子（如TGFB3和PDGF-BB）的硫酸化微岛指导细胞迁移并增强软骨生成。异质颗粒水凝胶提供了一个理想的3D环境，用于引导细胞迁移和分化成软骨（图1）。

图1.含有SHAMA微岛的用于细胞募集的颗粒水凝胶示意图

A）可注射颗粒水凝胶可填充软骨损伤处，并在原位交联；几天后，细胞开始沿着由负载生长因子的25%SHAMA微岛产生的梯度迁移，并开始产生细胞外基质。B）化学结构。C）细胞募集：硫酸化可使带正电荷的生长因子（PDGF-BB和TGF-β3）得以保留，形成可引导细胞的微岛-微凝胶。D）微凝胶生产。E）微凝胶交联[4]

Jonathan等人则探讨了水凝胶材料用于猪软骨修复的手术固定方法的优劣[5]。研究比较了使用生物可吸收钉和纤维胶两种手术方法固定熔融电写技术（MEW）加固的透明质酸水凝胶复合材料，结果显示两种方法都能在大多数情况下保证植入物的保留，但使用纤维胶固定的复合材料在软骨修复质量上表现更优，尤其在软骨下骨重塑和细胞外基质含量方面。这些发现提示未来在软骨修复中使用MEW加固水凝胶时，应优先考虑使用纤维胶固定，以减少软骨下骨重塑并提高修复质量。

1.2 纳米材料

纳米材料因其独特的物理化学特性，如高比表面积、生物相容性、可调控的力学性能以及药物递送能力，也成为软骨修复的研究热点之一。如Ti3C2Tx纳米片因其高导电性、亲水性和出色的活性氧（ROS）清除能力，在治疗各种与异常ROS积累相关的退行性疾病中显示出潜力。Zhao[6]等人研究发现，Ti3C2Tx纳米片具有强大的ROS清除能力，并且对软骨细胞具有可接受的生物相容性。这些纳米片能有效保护软骨细胞免受氧化应激诱导的细胞死亡，并恢复软骨细胞中合成和分解活动的平衡。另一项研究中，学者们研发了一种用于关节腔内注射的三氧化二麝香(TPL)纳米粒子热敏凝胶(TPL-NS-Gel)[7]，其在大鼠类风湿性关节炎模型中改善了关节肿胀和僵硬，降低血清和关节液中的hs-CRP、IL-1、IL-6和TNF-α水平。

1.3 载药递送系统

载药递送系统在软骨修复中扮演着重要角色，它们能够提高药物的局部浓度，减少系统剂量，增强疗效，减少不良反应。例如，基于透明质酸（HA）的软骨靶向纳米胶束（C-HA-DOs）被开发用于持续释放PPAR-γ激动剂吡格列酮（Pioglitazone）[8]。这些纳米胶束在体外实验中显示出对软骨细胞的保护作用，并在体内实验中通过小动物荧光成像（IVIS）观察到其在关节腔中的分布，证实了胶束对软骨的靶向性。这些结果表明，C-HA-DOs提供了针对关节软骨的靶向药物递送，并改善了吡格列酮在OA治疗中的作用。

1.4 3D打印技术

3D打印技术在软骨修复领域展现了显著的潜力，特别是在个性化和精准医疗方面。Juste等人[9]研发了一种基于海藻酸盐和WBPU的生物墨水（bioinks），用于3D生物打印技术制造支架。这些生物墨水具有与天然软骨组织相似的特性，如机械强度、弹性和湿润性，能够支持软骨细胞的生长和功能维持，为关节软骨损伤的治疗提供了一种潜在的新方法。另一项研究中，基于海藻酸钠-水性聚氨酯（Alginate-WBPU）复合水凝胶支架的开发，为关节软骨组织工程提供了新的解决方案[3]。这些支架通过模拟原始软骨组织的力学性能，展现出优异的生物相容性和促进软骨细胞粘附、扩散及增殖的能力。3D生物打印过程中，高海藻酸钠含量的生物墨水因其良好的打印性能和结构完整性，被证实适合于支架制造。体外实验进一步证实，这些支架能够维持细胞数量并促进细胞外基质的合成。此外，基于光交联Wharton's jelly生物墨水的3D生物打印软骨模拟支架[10]，为修复全层关节软骨缺损提供了一种有效的策略。在新西兰白兔模型中，这种替代物显示出满意的软骨修复效果，证明了3D打印技术在软骨组织工程中的应用潜力。这些研究不仅推动了3D打印技术在软骨修复中的应用，也为未来个性化软骨修复提供了新的方向。

图2. 基于光交联Wharton's jelly生物墨水的3D生物打印软骨模拟支架用于全层骨关节软骨缺损修补的示意图[10]

1.5 其他材料

除了上述材料，还有其他一些材料在软骨修复中展现出潜力。例如，基于剪纸（Kirigami）技术的蜘蛛丝蛋白（Fibroin）微针贴片[11]，被称为Kirigami蜘蛛丝蛋白微针摩擦电纳米发电机（KSM-TENG）贴片，具有高灵活性和智能药物控制释放能力，能够匹配关节的活动度并通过电刺激药物释放，提高OA的治疗效果。

综上所述，关节软骨修复的材料学研究取得了显著进展。水凝胶、纳米材料、载药递送系统以及3D打印技术的开发和应用，为软骨损伤的治疗提供了多种选择。这些材料不仅在体外和动物模型中显示出良好的生物相容性和疗效，而且部分材料已经展现出向临床应用转化的潜力。随着材料科学的进一步发展和对软骨修复机制的深入理解，预期未来将有更多的创新材料和治疗方法被开发出来，以更好地解决关节软骨修复的挑战。

骨关节感染（bone and joint infections），尤其是假体周围关节感染（Periprosthetic Joint Infections, PJIs），是关节外科的一项重大挑战。这类感染不仅增加患者的痛苦和经济负担，还可能导致手术失败和长期残疾。传统的治疗手段包括抗生素治疗和手术清创，但随着抗生素耐药性的增加，这些方法的效果受到限制，彻底的、反复的手术清创则会为患者带来身体和经济上的双重折磨。因此，开发新型抗感染材料和治疗策略显得尤为重要，本部分内容综述了近年来骨关节感染防治领域的材料研究新进展，涵盖钛基金属改性修饰、纳米材料、无机盐材料、药物递送系统、免疫调控材料抗菌、可降解金属以及其他策略，旨在为未来的研究和临床应用提供参考。

2.1 钛基金属改性修饰抗感染

钛基金属因其优异的生物相容性和机械性能而被广泛应用于骨科植入物。然而，钛合金植入物表面的细菌生物膜形成是导致植入物相关感染的主要原因之一，而钛基金属的生物惰性又决定了其本身欠缺抗感染活性，因此，通过多种手段提高钛基金属抗菌能力便成为了骨科抗感染的热点。研究人员采用粉末混合电火花加工（PMEDM）技术在Ti-6Al-4V合金表面集成银（Ag）[12]，显著降低了金黄色葡萄球菌的粘附，且不影响成骨细胞的功能。在另一项研究中，Sun等人探讨了辛伐他汀-羟基磷灰石涂层钛合金在预防骨科植入物相关感染（IAIs）中的效果[13]。研究发现辛伐他汀具有抗菌特性，能抑制金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌生物膜的形成，并促进骨形成。通过电化学沉积法成功制备了辛伐他汀-羟基磷灰石（Sim-HA）涂层的钛合金，该涂层能抑制细菌在钛合金表面的粘附和生物膜形成，并提高材料的生物相容性。在大鼠模型中，Sim-HA涂层有效预防了金黄色葡萄球菌引起的IAIs，并增强了骨生成和骨整合。这些结果表明，Sim-HA涂层是一种有前景的植入材料，可用于防护生物膜相关的感染。

图3. 辛伐他汀-羟基磷灰石涂层钛合金抑制细菌粘附和生物膜形成，防治骨科内植物相关感染[13]

2.2 纳米材料抗感染

纳米材料因其独特的物理化学特性在抗感染领域显示出巨大潜力。例如，金纳米棒（AuNRs）和姜黄素（CUR）封装在沸石咪唑酸酯框架-8（ZIF-8）纳米颗粒中，并与植酸（PA）和ε-聚赖氨酸（Ply）网络涂层结合，形成一种多功能涂层，展现出良好的抗菌化疗效果和光热转换效率[14]。Zhao等人开发了一种含鞣酸和银纳米颗粒改性的氧化锌复合材料[15]，与玉米醇溶蛋白复合制成多孔微粒支架，用于修复感染性骨缺损。该材料能快速释放抗菌锌离子，有效抑制细菌并促进骨组织再生，同时释放的鞣酸可清除活性氧，平衡抗菌与成骨活性，有助于感染性骨缺损的修复。Yang等人研发了一种新型纳米复合骨水泥[16]，通过涂层技术将庆大霉素和氯己定负载于硅纳米颗粒表面，以实现对假体关节感染的预防和治疗。这种骨水泥能够控制药物释放超过50天，可发挥长效杀菌活性，同时兼具良好的机械性能和细胞相容性。

2.3 无机盐材料抗感染

无机盐材料，如生物活性玻璃和陶瓷，因其抗菌特性和促进骨再生的潜能而受到关注。研究表明，含硼磷酸生物活性玻璃的PMMA骨水泥具有抗菌特性，能有效预防关节置换术后的感染[17]。此外，通过控制溶解-沉淀反应在AgNO3溶液中部分替换碳酸磷灰石（CaP）表面，以不同浓度的Ag3PO4进行改性，实现了骨再生和感染预防[18]。Chen等人研发了一种聚季铵盐（QPEI）改性的去钙骨基质（DBM）支架（Qx-D），其对金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌表现出超过99.9%的抗菌效率，同时保持良好的细胞相容性和促进骨再生活性。

2.4 药物递送系统抗感染

药物递送系统（DDS）通过控制药物释放动力学，提高药物疗效，减少副作用，并允许使用较低剂量。例如，万古霉素负载的PEG/ODEX水凝胶作为一种局部抗菌递送系统，能有效清除感染并加速感染性骨缺损的修复[19]。此外，克林霉素（CLD）递送系统，包括陶瓷、聚合物和复合材料载体，也在预防和治疗细菌感染方面显示出潜力[20]。

2.5 免疫调控材料抗感染

Zhang等人系统的探讨了免疫调节生物材料在对抗细菌感染中的研究进展与未来展望[21]。抗生素治疗仍是主要手段，但由于细菌异质性和抗药性，传统治疗方法面临重大挑战。免疫调节生物材料通过调节免疫微环境，增强免疫细胞的抗菌能力，展现出在急性和慢性感染阶段的应用潜力。文章分析了不同感染阶段的免疫微环境特征，强调了免疫调节材料在促进M1和M2巨噬细胞极化、清除生物膜及细菌的能力。此外，本研究也探讨了生物材料在疫苗开发中的应用潜能，指出通过生物材料诱导免疫记忆的重要性。综上所述，免疫调节生物材料为治疗顽固性细菌感染提供了新的策略。

图4. 通过调节免疫微环境，增强免疫细胞的抗菌能力，展现出在急性和慢性感染阶段的应用潜力[21]

2.6 可降解金属抗感染

可降解金属体系，尤其是可降解锌合金体系，因其抗菌和成骨特性而受到关注，有望成为防治感染的新型植入物材料。锌合金体内降解释放Zn2+发挥杀菌活性，研究人员在此基础上添加Ag元素，进一步提升了锌合金的抗感染能力，其与传统抗生素不同的杀菌机制也保障了其对耐药菌的杀灭效果。在一项研究中，Zn-0.8Li-0.5Ag合金植入物在治疗MRSA引起的大鼠骨髓炎方面显示出显著的感染控制和良好的骨量保护[22]。

2.7 其他抗感染策略

除了上述方法，还有其他一些抗感染策略，如利用生物活性钙氢化物（CaH2）的“三重”氢/碱性/钙疗法[23]，通过产生OH-、H2和Ca2+，为细菌感染相关的骨髓炎治疗提供了一种新的、有效的、健康的方法，有助于缓解由耐药菌引起的压力。以及基于间充质多巴胺（Mpd）的纳米载体增强STING途径激活，针对性地破坏生物膜，实现更好的感染控制疗效[24]。

骨关节感染尤其是假体周围关节感染（PJI）是关节外科的重大挑战，传统治疗方法受限于抗生素耐药性的增加。近年来，材料科学与生物医学的交叉研究为防治骨关节感染提供了新思路。这些研究通过表面修饰、纳米技术、生物活性材料开发和免疫调控等手段，显著提升了植入物的抗菌性能和生物相容性，为预防和治疗植入物相关感染提供了有效方案。多学科融合为骨关节感染的防治带来了新希望，未来研究应聚焦材料性能优化、多策略联合应用以及临床转化和长期效果评估，以应对复杂感染问题，为患者提供更安全、有效的治疗选择。

在关节置换领域，假体材料的改进、设计和优化也是提升手术效果和患者生活质量的关键因素。近年来，随着生物材料科学的进步，聚醚醚酮（PEEK）、氧化锆（OxZr）等新型材料逐渐成为研究的热点。PEEK因其优异的生物相容性、与骨组织相近的弹性模量以及良好的耐磨性，已被广泛应用于脊柱手术、关节置换和创伤修复等领域[25]。然而，PEEK的生物惰性和抗菌能力不足限制了其在临床中的应用，研究者们通过物理和化学改性等手段来提升其生物活性。例如，表面粗糙度的调节、孔结构的优化以及生物活性涂层的应用，均能有效促进细胞附着和骨整合。此外，金属离子的掺杂和抗菌剂的引入也被证明能够改善PEEK的抗菌性能和骨整合能力[26]。氧化锆作为一种新兴的植入材料，因其优良的机械性能和生物相容性而受到关注。研究显示，氧化锆在全膝关节置换（TKA）中的中期翻修率与传统钴铬材料相比并无显著差异，但在某些情况下，氧化锆的使用可能更适合对金属敏感的患者[27]。

图5. 改性PEEK植入物的临床应用场景[26]

植入物几何不匹配导致的无菌松动、脱位、磨损和骨折等问题，是关节置换失败的主要原因。为了解决这些问题，从假体设计层面出发，研究人员开发了具有多孔格架和功能梯度材料（FGM）结构的关节植入物[28]，多孔结构不仅能够降低材料的刚度，减少应力屏蔽现象，还能为骨细胞的生长提供良好的微环境，从而得以实现均匀的应力分布和促进骨重塑。

总之，随着材料科学和生物医学工程的不断进步，骨科关节置换领域的假体材料在改进、设计和优化方面取得了显著进展。通过新材料的研发、材料表面改性技术的应用以及新型多孔和功能梯度材料的开发，研究者们正在努力克服传统材料的局限性，提升假体的生物活性、机械性能和临床效果。未来的研究将继续聚焦于材料的改性与优化，以实现更高水平的骨整合和更好的患者体验，从而推动骨科关节置换技术的进一步发展。

本文综述了2022-2024年关节领域材料学的最新研究进展，重点关注关节软骨修复、骨关节感染防治和假体材料优化。在软骨修复方面，水凝胶、纳米材料、载药系统和3D打印技术展现了良好的生物相容性和修复潜力；在感染防治中，钛基金属改性、纳米材料、无机盐材料和免疫调控材料显著提升了植入物的抗菌性能；而聚醚醚酮（PEEK）和氧化锆等新型材料则进一步优化了假体的生物相容性和机械性能。

展望未来，关节领域材料学的研究将继续深化，特别是在以下几个关键方向：一是进一步优化材料性能，开发更佳生物相容性、更好抗菌性能和更高机械强度的新型材料，以匹配骨软骨修复和感染防治的临床需求；二是结合3D打印等技术，实现个性化植入物的设计和制造，以满足复杂临床需求；三是推动实验室成果的临床转化，开展大规模临床试验，长期评估新型材料的安全性和有效性；四是探索多策略联合应用，开发非抗生素依赖的抗菌材料，以应对抗生素耐药性问题；五是开发智能响应材料，实现感染和组织修复的动态监测与精准治疗。这些研究方向将为关节疾病的治疗提供更精准、更有效的解决方案，不断推动关节领域材料学的边界，通过创新的材料设计和改进的治疗方案，为患者带来更安全、更有效的治疗选择。

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岳冰

上海交通大学特聘教授，主任医师，博士生导师，上海交通大学医学院附属仁济医院副院长，上海交通大学医学院附属仁济医院骨科疾病与康复中心主任，上海交通大学运动系统疾病与创新器械研究中心主任。国家杰出青年科学基金获得者，国家重点研发计划首席科学家。

学术任职：中华医学会运动医疗分会委员，中国老年保健医学研究会老年骨与关节病分会副主任委员，上海医学会运动医学专科分会副主任委员，上海市中西医结合学会关节病分会副主任委员，中华医学会骨科学分会关节镜与运动医学学组委员，中国医师协会骨科医师分会运动医学专业委员会委员等。

曲新华

副主任医师，研究员，博士生导师。上海交通大学医学院附属仁济医院骨关节外科执行主任。国家优秀青年科学基金获得者，国家重点研发计划青年首席科学家，上海市曙光学者，上海市杰出青年医学人才。任中国生物材料学会医用金属分会常委、Bioact Mater编委等学术职务。获上海市卫生系统银蛇奖、上海市青年五四奖章，入选全球前2%顶尖科学家榜单（2023、2024）。

贾博

医学博士，上海交通大学医学院附属仁济医院骨关节外科医师。研究领域为骨感染和骨修复的基础与转化研究，近5年以第一作者或通讯作者在Nature Communications，Bioactive Materials，Biomaterials等高水平SCI期刊发表论文13篇，累计影响因子200余分，单篇最高被引300余次，H-index11。获授权中国专利8项，主持及参与多项国家级、省部级课题，入选上海市“晨光学者”等人才计划。

作者：岳冰 曲新华 贾博

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来源：骨科在线