综述：应对感染性骨缺损的挑战：双功能生物材料的最新进展

《Journal of Nanobiotechnology》：Addressing the challenges of infectious bone defects: a review of recent advances in bifunctional biomaterials

这篇综述聚焦感染性骨缺损难题，探讨其病理过程，分析双功能生物材料（兼具抗菌与成骨特性）在治疗中的应用。涵盖多种材料类型，如纳米材料、金属有机框架等，为临床治疗提供新思路，极具科研与临床参考价值。

　　### 感染性骨缺损的治疗困境与双功能生物材料的兴起
骨组织在人体中起着支撑运动、保护器官和造血等重要作用。然而，由急性创伤、炎症性疾病、年龄相关退行性变化和肿瘤等引起的骨缺损在临床中十分常见。对于超出骨组织自我修复能力的大骨缺损，通常需要进行骨移植治疗，常用的自体和异体骨移植虽有一定效果，但存在诸多弊端，如自体骨移植供体部位有限且有损伤风险，异体骨移植则面临免疫排斥和二次感染风险 。

当骨缺损合并感染时，治疗难度显著增加。感染会干扰微环境调节，导致反复感染和病情加重，甚至引发严重的骨髓炎、骨坏死和败血症等，威胁患者生命。传统的抗菌治疗方式，如静脉注射抗生素，难以使局部抗生素达到有效治疗浓度，长期全身用药不仅会产生严重的毒副作用，还容易诱导耐药菌产生。抗生素浸渍间隔物虽能提高局部药物浓度，但需要二次手术取出。骨运输技术治疗周期又过长。同时，传统骨修复材料的临床性能也不尽人意，如机械性能差、吸收速率快和骨诱导能力有限等。因此，开发兼具成骨能力、骨诱导性、骨传导性、生物相容性和生物降解性的新型骨替代材料迫在眉睫。

在此背景下，双功能生物材料应运而生，它结合了抗菌和骨修复的双重特性，为感染性骨缺损的治疗带来了新的希望。这种材料既能预防感染，又能促进骨组织再生，有望成为骨缺损修复领域的重要突破。

感染性骨缺损的病理过程

骨愈合是一个复杂的重建过程，分为原发性骨愈合和继发性骨愈合，其中原发性骨愈合较为罕见。继发性骨愈合包含炎症期、修复期和重塑期三个重叠阶段，炎症期对骨愈合至关重要。

在骨愈合的生理过程中，当骨缺损发生后，炎症反应立即启动。骨膜下和软组织出血形成血肿，血肿微环境初期呈现局部缺氧、酸性和低温状态，且含有高浓度的钙和乳酸。此时，血肿作为支架，招募炎症细胞和多种因子，引发级联反应。众多炎症细胞因子和生长因子参与其中，如白细胞介素 - 1（IL-1）、白细胞介素 - 6（IL-6）、白细胞介素 - 11（IL-11）和肿瘤坏死因子 -α（TNF-α）等，它们促进炎症细胞（如中性粒细胞和巨噬细胞）向骨折部位迁移，并诱导血管生成。在这些细胞因子中，IL-1 是骨愈合中最重要的细胞因子，主要由巨噬细胞产生，具有诱导成骨细胞产生 IL-6、促进骨愈合组织生成和促进损伤部位血管生成等功能。IL-6 在急性期产生，可刺激血管生成、促进血管内皮生长因子（VEGF）产生，并影响成骨细胞和破骨细胞的分化。同时，巨噬细胞向 M1 表型极化，免疫反应转变为适应性免疫，主要表现为淋巴细胞的浸润，成纤维细胞也开始在损伤部位聚集。此外，TNF-α 已被证实可诱导间充质干细胞（MSCs）向成骨细胞分化，对后续骨愈合至关重要。血小板和血管周围细胞释放的血小板衍生生长因子（PDGF）和转化生长因子 -β（TGF-β）等，也有助于促进血管生成和成骨分化。在炎症消退过程中，巨噬细胞在抗炎细胞因子（IL-4、IL-10 和 IL-13）的诱导下转变为 M2 表型。

为促进稳定的骨再生，招募足够的骨髓间充质干细胞（BMSCs）至缺损部位至关重要。目前研究发现，SDF-1 及其 G 蛋白偶联受体 CXCR-4 形成的轴（SDF-1/CXCR-4）是 BMSCs 招募和归巢至损伤部位的重要调节因子。在多种细胞因子和生长因子的影响下，免疫细胞和 BMSCs 参与细胞间调节，启动成骨和血管生成过程。

随后，损伤部位进入修复期。修复期的骨组织形成涉及膜内成骨和软骨内成骨两种过程，其中软骨内成骨是主要的骨修复机制。在这个阶段，BMSCs 分化为软骨细胞，分泌软骨基质形成软骨模板，随后软骨细胞肥大分化，周围基质矿化，形成软骨肉芽组织，最终肥大软骨细胞凋亡，血管侵入，成骨细胞迁移，软骨基质转化为骨基质。此阶段，促炎因子如 IL-1 和 IL-6 水平显著下降，TNF-α 则先下降后上升，精细调节成骨细胞的增殖活动。

随着骨折肉芽组织中软骨细胞的增殖和肥大，ECM 开始钙化，骨修复进入初级骨痂形成阶段，硬肉芽组织形成达到高峰。之后，骨折愈合进入重塑期，硬肉芽组织被重塑为具有中央髓腔的分层骨结构，这一过程主要由 IL-1 和 TNF-α 调节，同时 BMP 家族（如 BMP-2）含量增加，TGF-β 家族大多数成员表达水平下降。在机械应力的影响下，受损区域的小梁骨进行重塑，成骨细胞和破骨细胞共同作用，逐渐消除应力轴外的骨痂，促进骨愈合。整个骨骼的完全再生可能需要数年时间，年轻患者的愈合过程通常会加快。

炎症在骨愈合中起着关键作用，适当的炎症反应是骨愈合的必要条件，缺乏或抑制急性炎症会导致骨愈合受损。许多促炎细胞因子和趋化因子，如 IL-6、IL-17A 和 TNF-α 等，在骨折愈合的复杂级联反应中发挥着重要作用。例如，IL-6 信号通路参与免疫细胞招募、血管生成、软骨内成骨和肉芽组织重塑；IL-17A 增强参与骨组织形成的成骨细胞活性；TNF-α 具有双相分泌模式，可增强 BMSCs 的激活。此外，前列腺素（如前列腺素 E2，PGE2）和非甾体抗炎药（NSAIDs）等会对骨愈合产生不利影响，糖皮质激素虽有强大的抗炎作用，但会延迟骨修复并导致骨质疏松。

感染性骨折的微环境复杂，常引发强烈的炎症反应，干扰正常骨愈合。金黄色葡萄球菌（S. aureus）是导致骨感染最常见的细菌，其感染机制多样，包括细胞内感染、侵入骨细胞陷窝小管网络（OLCN）、形成生物膜和脓肿等。S. aureus 可在多种细胞内增殖，侵入成骨细胞后，通过纤连蛋白与成骨细胞表面的 α5β1 整合素结合，实现内化。由于成骨细胞不是免疫细胞，S. aureus 可在其中长期存活，逃避免疫系统清除和抗生素杀伤，感染细胞成为病原体储存库，持续感染其他细胞。S. aureus 还能改变自身大小，侵入 OLCN，且高剂量抗生素难以在 OLCN 内达到有效浓度。其形成的生物膜结构紧密，能保护细菌免受抗菌剂和免疫细胞的攻击，生物膜降解后，游离细菌可定植新区域形成新的生物膜。持续感染还会导致葡萄球菌脓肿群落（SACs）形成，影响植入物周围的骨髓和软组织。

在感染性微环境中，骨再生和骨吸收的平衡被打破。与无菌性骨损伤相比，感染性骨缺损部位的炎症细胞增多，多种促炎因子（如 IL-1）水平显著升高，这些因子增强破骨细胞活性，导致骨吸收增加，同时抑制成骨细胞功能，阻碍骨再生。中性粒细胞（NE）在病原体入侵早期迅速积累，虽具有吞噬等免疫功能，但过度积累会产生副作用，如 ROS 诱导的高氧环境导致细胞毒性、骨组织损伤和骨丢失，还会通过表达 RANKL 促进破骨细胞分化和成熟，进而促进骨吸收 。巨噬细胞在感染早期也发挥作用，释放大量细胞因子，激活内皮细胞和淋巴细胞聚集，但长时间的炎症会抑制新血管形成、降低骨愈合速率并抑制成骨细胞分化，还可能增加 RANKL 的产生，导致骨吸收。破骨细胞由造血单核细胞 / 巨噬细胞分化而来，受巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）和 RANKL 调节，被病原体感染的成骨细胞可通过 EP4 受体直接或间接促进 RANKL 分泌，同时下调骨保护素（OPG）表达，进一步促进破骨细胞生成。

双功能生物材料的设计理念

理想的感染性骨缺损治疗方案是快速控制感染并修复骨组织，因此理想的双功能生物材料应在初始阶段快速释放抗菌剂或发挥杀菌作用，且能在足够长的时间内维持高浓度，有效控制和抑制细菌增殖，同时不影响骨再生，反而为骨修复创造有利环境。此外，材料还应具备高生物相容性和机械强度，高生物相容性可避免不良免疫反应，机械强度能为新形成的骨组织提供支撑，促进成骨细胞在材料支架上迁移和分化，推动材料与宿主骨的整合和新骨组织的形成。

双功能生物材料的组成成分选择

1. 抗菌材料的选择
   • 无机材料：多数无机材料本身缺乏抗菌性能，但以金、银、锌、铜等为代表的无机金属粒子，因其独特的理化性质，对细菌有显著影响。金属粒子可通过多种作用破坏细菌细胞膜，损伤细菌内部蛋白质和 DNA，还能通过芬顿反应产生高毒性的羟基自由基，诱导细菌死亡。然而，金属粒子具有细胞毒性，因此研究人员常通过构建复合支架系统等方法对其进行修饰，以降低毒性并优化性能 。
   • 有机材料：有机抗菌材料包括天然和合成有机抗菌材料。壳聚糖（CS）是经典的天然阳离子多糖，具有无毒、可生物降解、广谱抗菌、吸附性好和生物相容性高等优点。其抗菌机制包括与细菌表面负电荷分子反应改变细胞通透性、穿透细菌细胞与 DNA 结合抑制蛋白质合成、通过金属螯合机制抑制微生物生长所需碱性元素的吸收以及高分子量 CS 粘附在细胞壁减少营养吸收等。对 CS 进行化学修饰可增强其抗菌效果，CS 与抗生素结合还能产生协同抗菌作用 。透明质酸（HA）广泛应用于医学领域，可作为抗菌材料或药物载体。抗菌肽（AMPs）是先天免疫系统的组成部分，抗菌机制独特，但在体内半衰期短，常与生物活性材料结合以改善这一缺点 。多数合成有机材料通常不单独作为抗菌剂用于感染性骨缺损治疗，但季铵盐类抗菌材料在骨感染治疗中具有一定研究潜力，如改性的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥可增强抗菌性能。
   
   
2. 促进骨修复材料的选择
   • 无机材料：骨组织中的金属离子在骨再生中发挥重要作用，如 Ca²⁺、Mg²⁺、Sr²⁺、Zn²⁺等。Ca²⁺为骨骼提供强度，参与多种信号通路，可刺激成骨细胞增殖、迁移和矿化，诱导巨噬细胞向 M2 表型极化；Mg²⁺促进 BMSCs 成骨分化和迁移，抑制破骨细胞生成，诱导巨噬细胞极化和促进 BMSCs 血管生成分化；Sr²⁺预防骨吸收、刺激骨形成，促进骨组织血管化，还具有抗炎作用；Zn²⁺促进成骨细胞粘附、增殖和分化，抑制破骨细胞，调节炎症细胞分化，诱导巨噬细胞极化和促进血管生成，同时具有抗菌性能 。生物陶瓷如磷酸钙（CaP）骨水泥、羟基磷灰石（HAp）和 α/β- 磷酸三钙（α/β-TCP）等，因其组成与人体骨组织无机盐相似，具有良好的生物相容性和较高的机械强度，常作为多功能支架系统的制备材料，虽抗菌性能有限，但可作为抗菌剂载体和骨填充物，在骨组织工程中具有广阔应用前景 。
   • 有机材料：CS 不仅具有抗菌性能，还能促进骨再生，因其与天然 ECM 中的糖胺聚糖相似，可为细胞生长创造有利微环境，支持成骨细胞的增殖、分化和矿化。CS 与其他材料结合，可协同增强骨生成能力 。胶原蛋白和明胶是天然骨的主要蛋白质成分，具有良好的生物相容性，其氨基酸序列中的 RGD 配体有助于细胞附着。海藻酸盐也是一种天然聚合物，具有良好的生物相容性和可塑性，添加 RGD 可促进细胞粘附或赋予其特定功能 。合成有机材料如聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物（PLGA），具有良好的生物相容性和可降解性，机械性能可调，是常用的抗生素体内递送载体，在骨感染治疗中发挥重要作用 。
   
   

双功能生物材料的类型

1. 具有抗菌功能的水凝胶促进骨缺损修复：水凝胶是具有三维网络结构的聚合物，形态和功能与天然细胞外基质相似，可通过负载多种物质促进骨缺损修复。GelMA 是一种广泛应用于生物医学领域的水凝胶，含有 RGD 和 MMP 序列，具有良好的生物相容性、低抗原性和细胞响应特性，能促进骨形成和血管生成，且可在光照下交联固化，适合用于骨组织工程 。为提高水凝胶的机械强度和生物活性，常将生物陶瓷 β-TCP 等添加到 GelMA 水凝胶中。例如，Nie 等人将 β-TCP、海藻酸钠和 MXenes 加入 GelMA 水凝胶中，制备的 3D 打印支架在近红外（NIR）照射下具有显著的抗菌性能，且生物相容性和骨生成能力良好 。Cu²⁺具有抗菌和促进血管生成的作用，基于此开发的 GelMA/GeP@Cu 水凝胶可在骨再生过程中增强血管化，促进骨组织再生 。还有研究开发的复合水凝胶，如由铜 - 锶过氧化物纳米粒子（CSp NPs）和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）组成的水凝胶，利用 pH 响应释放羟基自由基实现高效杀菌，同时释放 Sr²⁺增强成骨作用，在小鼠模型中实现了 21 天内完全修复骨缺损 。此外，一些水凝胶还具有多种功能，如集成抗癌、抗菌、MRI 和骨生成功能的水凝胶，利用 Gd 的 MRI 效应监测水凝胶位置和降解情况，MoS₂赋予其光热能力，实现抗菌和抗癌性能，Gd 还具有促进骨生成的能力 。但水凝胶机械强度较弱，具有短期自愈合能力的水凝胶可改善这一缺陷。例如，HA@SDF1α/M2D-Exos 水凝胶，由 SDF-1、M2 巨噬细胞分泌的外泌体和 4% HA 组成，能在 5 分钟内自我修复，有效杀灭多种细菌，同时显著增强血管生成和成骨作用 。水凝胶还可与 3D 打印金属植入物结合，如在多孔钛合金表面修饰抗菌水凝胶，可提高其抗菌性能，促进 BMSCs 分化和矿化，有利于感染性骨缺损的修复 。
2. 功能化金属有机框架材料（MOFs）：MOFs 是一类多孔无机 - 有机杂化材料，具有高可调性、高比表面积和可调节的孔结构，能封装大量功能分子，在生物功能材料领域展现出巨大的应用潜力 。在感染性骨缺损治疗中，MOFs 通过离子介导或物理方法发挥抗菌作用，尤其对耐药菌感染疗效显著 。例如，Zn 基 MOF 材料 ZIF-8 具有酸响应降解特性，可在细菌产生的酸性代谢产物作用下降解，释放 Zn²⁺离子干扰细菌生长 。将药物如万古霉素（VAN）负载到 ZIF-8 中，并沉积在 3D 打印生物玻璃支架上，可赋予复合材料骨修复功能，对 S. aureus 有显著抑制作用，还能促进 MSCs 和成骨基因的表达 。还有研究利用 MOFs 的光热效应或声动力疗法实现抗菌和促进骨修复的功能 。如普鲁士蓝纳米粒子（PBNPs）与 CS 混合制备的水凝胶，在 NIR 照射下通过光热效应捕获和杀死细菌，但光的组织穿透能力有限，限制了其临床应用 。基于 MOFs 的声动力疗法材料，如 HN25，具有较强的超声响应抗菌性能，对 MRSA 抗菌率超过 98.97%，还能促进间充质干细胞的成骨分化，具有良好的生物相容性和调节炎症反应的能力，有望用于骨修复 。然而，MOFs 在抗菌作用的可控性和材料稳定性方面仍存在问题，需要进一步研究其生物降解性，以更好地实现生物材料的功能化 。
3. 功能性固体骨组织替代物：感染性骨缺损清创后，缺损空间扩大，需要填充材料承受应力。固体支架应具备形状稳定性、复杂结构和多样功能，且机械性能与骨组织相似。3D 打印技术可制备个性化的仿生骨修复支架，但通常需要对其进行修饰以满足感染控制和骨再生的需求 。对植入物的修饰包括物理和化学方法。物理修饰可改变材料表面的疏水性、范德华力和静电相互作用，影响细菌粘附，如在材料表面构建纳米结构可物理杀死细菌，并为骨细胞的附着、增殖和分化创造有利条件 。化学修饰通常通过涂层和化学键合实现，如在支架表面涂覆含有抗菌和抗炎物质的涂层，实现药物的持续释放，有效消除细菌 。此外，将 MSCs 负载到支架中，可促进多种信号通路，增强骨再生能力 。
4. 多功能生物陶瓷支架：生物陶瓷在促进成骨方面表现出色，但大多缺乏抗菌性能，因此需要采用外部抗菌策略。目前已开发出多种复合生物陶瓷支架用于感染性骨缺损的治疗 。例如，将多西环素（DOX）负载到介孔生物玻璃（MBG）中