综述：用于促进骨再生的抗氧化支架：最新进展与挑战

本文是一篇关于抗氧化支架促进骨再生的综述。氧化应激会阻碍骨修复，而抗氧化支架可通过清除活性氧（ROS）等机制，调节成骨细胞谱系、促进血管生成等，在骨再生中展现出巨大潜力。文章还探讨了其面临的挑战与未来展望，值得一读。

　　

一、引言

骨组织具备自然再生能力，但这种能力有限，面对严重骨缺损时难以有效修复。临床上常用的自体骨移植和异体骨移植等方法都存在各自的缺陷。骨支架作为新兴的骨修复手段，能模拟天然骨的结构和力学性能，在骨修复中发挥着越来越重要的作用。

在骨修复过程中，氧化还原稳态至关重要。然而，糖尿病、感染等不利因素会破坏细胞内的氧化防御系统，导致 ROS 积累，阻碍骨再生。因此，开发基于抗氧化的骨再生疗法迫在眉睫。近年来，抗氧化骨支架的研究不断涌现，本文旨在对其研究进展进行综述。

二、骨修复与氧化应激

当骨组织受损时，会经历一系列复杂的修复过程。受伤部位首先形成血肿，随后免疫细胞聚集，引发炎症反应以清除骨碎片和抵抗感染。在炎症早期，骨髓间充质干细胞（BMSCs）、血管内皮细胞等骨修复相关细胞被募集到损伤部位。随着时间推移，炎症逐渐消退，巨噬细胞从 M1 表型转变为 M2 表型，分泌促进细胞增殖和分化的因子。在骨形成阶段，肉芽组织逐渐被纤维组织取代，形成纤维性骨痂，之后通过软骨内成骨或膜内成骨形成初始骨，最后在机械刺激下，成骨细胞和破骨细胞协同作用实现骨重塑。

但氧化应激会对这一过程造成诸多不良影响。它会损伤 BMSCs 和成骨细胞的 DNA、蛋白质和脂质，干扰其分化功能，减少骨基质的合成和矿化。同时，氧化应激还会抑制血管内皮细胞的增殖、迁移和管腔形成能力，阻碍血管生成。此外，氧化应激会使骨缺损部位的免疫细胞持续激活，分泌促炎因子，形成恶性循环，加重骨损伤。而且，过多的 ROS 会激活 RANKL/OPG 通路，促进破骨细胞的形成和激活，加剧骨丢失。因此，抗氧化疗法在骨再生领域具有重要的应用价值。

三、骨支架的分类

目前，骨组织工程中常用的骨支架包括金属支架、陶瓷支架、聚合物支架和复合支架。

1. 金属支架：钛（Ti）、镁、锌和不锈钢等金属支架因具有良好的机械性能和生物相容性，被广泛应用于骨缺损修复。传统上，钛及其合金应用最为普遍，但它们缺乏生物可降解性，往往需要二次手术取出。近年来，镁合金和锌合金因其生物可降解性和生物活性受到关注。镁基支架的机械强度与骨相似，且释放的镁离子能促进骨整合和血管化骨再生；锌基支架释放的锌离子在锌指蛋白和多种酶的组成中起重要调节作用。此外，表面改性和合金化技术可调节金属骨支架的降解速率和机械强度，提高其生物相容性和骨整合能力。
2. 陶瓷支架：钙磷酸盐、羟基磷灰石和生物活性玻璃等陶瓷支架模拟了天然骨矿物质的组成，具有良好的骨传导性和骨诱导性。钙磷酸盐和羟基磷灰石支架释放的钙离子和磷酸根离子是骨组织的主要成分，能调节成骨细胞谱系的增殖和分化，促进骨在支架表面的快速形成。生物活性玻璃作为一种硅酸盐玻璃，能与生理环境发生反应，释放钙、磷和硅等促进骨形成的离子。通过离子掺杂、表面改性和微观结构优化等方法，可进一步增强陶瓷支架的生物活性和骨整合能力。
3. 聚合物支架：聚合物支架是类似于细胞外基质的三维网络结构，近年来在骨组织工程中备受关注，因其能支持细胞黏附和生长。常用于骨再生的聚合物支架包括多糖（如透明质酸、海藻酸盐、壳聚糖和纤维素）、蛋白质（如明胶、纤连蛋白和胶原蛋白）以及合成聚合物（如聚乳酸、聚己内酯、聚氨酯和聚乙二醇）。这些聚合物支架具有温和的制备方法、合适的降解特性和药物释放动力学，适合递送天然酶和生长因子等生物活性分子。通过对聚合物分子进行改性，还可获得稳定的功能化支架，提高其生物活性和机械性能。特别是近年来，基于动态化学键的水凝胶支架得到了广泛发展，能对骨微环境中的 pH、葡萄糖和 ROS 做出响应，实现智能可控的药物释放，促进骨组织修复。
4. 复合支架：尽管金属、陶瓷和聚合物支架在骨再生方面各有优势，但也存在一些局限性，如金属支架缺乏生物活性，聚合物支架机械性能不足。因此，近年来研究人员致力于构建复合材料支架，将多种材料的优势结合起来，提高骨修复效率。例如，在金属支架上应用生物活性玻璃涂层可增强其生物活性，在聚合物支架中添加纳米陶瓷颗粒可改善其机械性能。

四、抗氧化剂

1. 非酶抗氧化剂：目前广泛应用的非酶抗氧化剂包括多种天然化合物，如维生素（如维生素 C 和维生素 E）、多酚（如槲皮素和花青素）、类胡萝卜素和褪黑素等。这些抗氧化剂来源广泛、生产成本低，具有良好的稳定性和生物相容性。它们能激活与氧化应激相关的信号通路，如 Nrf2/Keap1 通路，上调超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）和血红素加氧酶 - 1（HO-1）等抗氧化酶的表达，增强细胞对 ROS 的清除能力，减轻氧化应激对骨组织的损伤。部分抗氧化剂，如多酚，还能通过与自由基反应和螯合金属催化剂来清除 ROS。在骨再生过程中，一些非酶抗氧化剂具有促进骨祖细胞增殖和分化的潜力，通过抗氧化作用和对细胞代谢及功能的调节，加速骨组织再生，在骨缺损修复中发挥积极作用。此外，某些抗氧化剂还具有抗菌、抗炎和促进血管生成等多种功能，使其在骨再生领域具有更广阔的应用前景。
2. 酶抗氧化剂：酶抗氧化剂是一类具有特定催化活性的酶，能直接参与氧化还原反应，将 ROS 转化为无毒物质，保护细胞免受氧化应激损伤。常见的天然抗氧化酶包括 SOD、CAT 和 GPx。SOD 可催化超氧阴离子歧化为 H₂O₂和 O₂，CAT 和 GPx 则能消除 H₂O₂。然而，在感染、糖尿病等不利于骨再生的情况下，细胞内抗氧化酶的表达可能会下降。此时，将天然酶直接输送到骨损伤部位，可补充细胞内抗氧化酶的不足，增强局部抗氧化能力。
3. 纳米酶：天然酶存在合成和纯化复杂、生产和储存成本高以及稳定性差等问题，限制了其进一步应用。近年来，纳米酶逐渐被视为天然抗氧化酶的潜在替代品。纳米酶可通过简单的化学反应制备，具有高催化活性和良好的稳定性，能适应组织微环境 pH 的变化。目前用于模拟抗氧化酶的纳米酶主要由可变价金属基材料组成，如铈、锰和钼等，它们能模拟 SOD、CAT 和 GPx 等酶的活性，消除 ROS。值得注意的是，一些纳米酶可同时表现出多种酶样活性，有助于构建级联反应系统，为组织再生中的抗氧化治疗提供了创新机会，推动了新型骨再生策略的构思和实施。

五、抗氧化骨支架

1. 抗氧化骨支架的作用机制：临床上常用的骨支架（如钛及钛合金）通常具有生物惰性，主要起机械支撑和有限的骨传导作用，骨修复仍依赖机体自身的骨愈合能力。在感染、糖尿病或衰老等情况下，氧化应激水平升高会破坏骨微环境的平衡，导致骨愈合延迟甚至骨不连。而抗氧化骨支架可通过清除 ROS，逆转氧化应激诱导的成骨细胞和破骨细胞活性失衡、持续的炎症激活以及血管生成受损等问题，增强机体的骨修复能力。由于恢复了细胞功能，抗氧化支架在骨整合和愈合时间方面具有优势，为骨再生提供了更理想的解决方案。
2. 抗氧化骨支架的构建与评价：目前，抗氧化骨支架主要基于金属、陶瓷和聚合物材料构建，这些材料本身通常缺乏抗氧化性能。因此，在选择合适的基础材料后，需通过直接混合、表面改性、化学键合或纳米颗粒负载等方法将抗氧化剂引入骨支架，赋予其抗氧化特性。制备的支架需对机械性能、孔径、孔隙率、降解性能和抗氧化剂释放性能等进行明确评估，还需通过体外和体内实验验证其生物安全性、抗氧化性能和促进骨再生的效果。目前，已有一系列抗氧化骨支架被构建出来，并在实验中显示出良好的缓解氧化应激和促进骨再生的能力。

六、抗氧化策略

1. 针对成骨细胞谱系的抗氧化策略：成骨细胞谱系在骨再生中起着核心作用。在骨再生过程中，BMSCs 被募集到损伤部位，在生长因子的调节下分化为成骨细胞。成骨细胞能够合成骨基质并形成骨钙素结节，最终转变为嵌入骨基质的骨细胞，形成完整的骨组织。然而，ROS 水平升高会损害成骨细胞谱系细胞的分化和功能，减少矿化和骨基质形成，还会触发成骨细胞谱系内的凋亡途径，减少成骨细胞数量，阻碍骨再生，加重骨质疏松。因此，引入抗氧化骨支架调节氧化还原平衡，有望缓冲氧化应激的负面影响，维持成骨细胞谱系的增殖能力和分化，为骨再生提供有利的微环境。

将能直接与 ROS 反应的抗氧化剂嵌入骨支架是构建抗氧化骨支架的一种直接方法。释放的抗氧化剂可用于清除细胞内的 ROS，实现抗氧化效果。例如，Tan 等人构建了具有 ROS 清除能力的镁封端 C - 烷基间苯三酚芳烃笼（PgC₃Mg）金属 - 有机笼，并将其掺入明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）水凝胶中，得到 GelMA/PgC₃Mg 复合水凝胶。该水凝胶中的 C - 烷基间苯三酚芳烃笼具有高效的 ROS 清除效率，能有效减少 H₂O₂诱导的 BMSCs 内 ROS 的积累，释放的 Mg²⁺还能促进 BMSCs 的黏附和成骨相关基因的表达，加速大鼠颅骨缺损的修复。同样，可变价金属化合物作为高效稳定的抗氧化剂，在骨再生领域受到广泛关注。如 CeO₂纳米颗粒（NPs）中 Ce (III) 和 Ce (IV) 之间的可逆转换赋予其 SOD 和 CAT 样活性。Zhang 等人利用 3D 打印技术构建了掺杂 CeO₂ NPs 的生物活性玻璃支架（CeO - BG），不仅赋予支架抗氧化性能，还增强了其机械性能，促进了成骨细胞的黏附和骨形成能力。

直接掺入抗氧化剂虽经典，但存在抗氧化剂从支架中快速释放难以控制的问题，可能导致抗氧化剂过度积累产生细胞毒性，或被机体灭活，失去持续的抗氧化效果。为实现抗氧化剂的可控释放并维持连续的 ROS 清除能力，Wang 等人开发了一种谷胱甘肽（GSH）接枝的 GelMA 水凝胶（GelMA - g - GSH）。与直接负载 GSH 的 GelMA 相比，GelMA - g - GSH 的 GSH 释放速率更慢，能通过 GSH - GSSG 循环持续清除应激状态下 MC3T3 - E1 细胞中积累的 ROS，激活 PI3K/AKT 通路，促进成骨细胞分化和糖尿病小鼠颅骨缺损的修复。

在骨质疏松患者中，从去卵巢大鼠分离的 BMSCs（OVX - BMSCs）存在线粒体功能失调和能量代谢受损的情况，表现为线粒体膜电位降低、ATP 生成减少和 ROS 过度积累，导致 BMSCs 成骨分化受损和骨再生紊乱。因此，通过骨支架激活细胞内源性抗氧化系统被认为是治疗骨质疏松性骨缺损的有效方法。Zhou 等人发现 Na₂SeO₃能显著激活 OVX - BMSCs 中抗氧化酶 GPx1（一种硒依赖性酶）的表达，促进线粒体功能恢复，降低细胞内 ROS 水平。基于此，他们开发了一种 Na₂SeO₃掺杂的丝素蛋白 / 磷酸钙水泥（SF/CPC）支架（Se@SF/CPC），该支架能促进 OVX - BMSCs 中碱性磷酸酶的表达和钙沉积，加速骨质疏松性骨缺损的修复。此外，有研究报道褪黑素可上调细胞内抗氧化基因（如 SOD、CAT、GPx 和 HO - 1）的表达，通过激活内源性抗氧化系统恢复细胞功能。Gu 等人开发了一种负载褪黑素的丝素蛋白支架（SF@MT）用于治疗骨质疏松性骨缺损，释放的褪黑素可激活去卵巢大鼠 BMSCs 中的 SIRT1/SOD2 通路，恢复线粒体能量代谢和抗氧化功能，促进成骨细胞分化、基质合成和矿化，加速去卵巢大鼠股骨骨缺损的再生。2. 促进骨再生中血管生成的抗氧化策略：新形成的血管在骨修复中至关重要，骨再生的一系列过程都依赖于血管新生，包括中性粒细胞和单核细胞 / 巨噬细胞谱系细胞的募集以及干细胞的归巢。新血管还能提供氧气、营养物质和生长因子，清除代谢废物，防止细胞内氧化应激加剧。

Chen 等人将负载褪黑素的聚乳酸 - 羟基乙酸共聚物纳米颗粒（MT@PLGA）和海藻酸钠水凝胶掺入聚己内酯 /β - 磷酸三钙（PCL/β - TCP）支架中，得到 PCL/β - TCP/SA/MT 支架。即使在高糖诱导的应激条件下，该支架仍能促进内皮细胞的增殖、迁移和管腔形成，其促血管生成作用与激活 NRF2/HO - 1 信号通路有关，涉及下游抗氧化酶的激活以减轻氧化应激，并直接促进血管内皮生长因子（VEGF）的产生。此外，该支架还能减轻 BMSCs 的氧化应激，恢复其成骨分化能力，有效促进糖尿病小鼠颅骨缺损的修复。

近年来发现的 H 型血管是一种分布在骨骺的血管亚型，其内皮细胞高表达 CD31 和内粘蛋白（Emcn）。H 型血管被认为是 “血管化 - 骨生成耦合” 过程的主要参与者，因为其周围有大量表达高水平 Osterix 和 RUNX2 的骨祖细胞。此外，H 型血管内的内皮细胞可分泌 noggin 和 VEGF 等细胞因子，刺激骨祖细胞的增殖和分化，促进骨形成。Zhou 等人合成了一种由 GelMA、丙烯酰基 - β - 环糊精和 β - 环糊精功能化的还原氧化石墨烯组成的水凝胶（GM/Ac - CD/rGO0.6），在体内应用发现该水凝胶能有效消除颅骨缺损边缘的 ROS 积累，促进骨再生，且治疗组 H 型血管形成增加。进一步的 RNA - seq 评估表明，GM/Ac - CD/rGO0.6 能清除应激状态下人脐静脉内皮细胞（HUVECs）中过多的 ROS 积累，激活 miR - 200C/ZEB1/Notch1 信号通路，增加 H 型血管的形成，从而促进骨组织再生。3. 抗氧化治疗与骨免疫调节策略相结合：骨再生与免疫密切相关。在参与骨修复的各种免疫细胞中，巨噬细胞因其独特的 M1 和 M2 表型转换能力，在调节骨再生部位的微环境中发挥关键作用，成为当前抗氧化骨支架免疫调节的主要靶点。M1 巨噬细胞激活后分泌肿瘤坏死因子 - α（TNF - α）、白细胞介素（IL） - 1β、IL - 6 和 IL - 23 等炎症细胞因子，干扰成骨细胞的正常功能，影响骨基质的形成和矿化；而 M2 巨噬细胞释放转化生长因子 - β（TGF - β）、骨形态发生蛋白 - 2（BMP - 2）、IL - 4、IL - 10 和 IL - 13 等抗炎细胞因子和生长因子，积极促进骨形成。

目前，利用某些天然多酚固有的抗炎和抗氧化特性构建具有免疫调节和抗氧化功能的骨支架。这些抗氧化剂不仅能保护 BMSCs 免受氧化应激，还能直接促进巨噬细胞向 M2 极化。Li 等人利用定向冷冻干燥技术开发了一种具有微通道结构的原花青素优化壳聚糖支架（ChiO），该支架能抑制脂多糖（LPS）诱导的巨噬细胞向 M1 极化，并通过其定向孔结构和原花青素协同诱导巨噬细胞向 M2 极化，实现对免疫微环境的调节。此外，ChiO 中的原花青素通过多酚 / 蛋白质吸附促进 BMSCs 更好地黏附在支架上，协助清除 BMSCs 中 H₂O₂诱导的细胞内 ROS，最终促进 BMSCs 的成骨分化，加速兔颅骨缺损的修复。Wang 等人构建了一种负载单宁酸的水凝胶（SFMA - LAP@TA），负载的单宁酸促进巨噬细胞向 M2 极化，减轻炎症巨噬细胞（由 LPS 诱导）条件培养基对 BMSCs 造成的氧化应激，促进大鼠颅骨缺损的修复。

一些抗氧化剂的抗炎功能不仅涉及抑制促炎信号通路（如 MAPK 和 NFκB），还包括清除免疫细胞中的 ROS。Zhou 等人通过层层脉冲电沉积法在 Ti 支架上构建了聚吡咯 - 聚多巴胺 - 羟基磷灰石（PPy - PDA - HA）涂层，在该结构中，PPy - PDA 中的电子被 ROS 捕获，使 PPy -<