氮掺杂还原氧化石墨烯/氧化锆复合支架联合牙髓干细胞通过调控巨噬细胞促进骨缺损修复

本研究创新性地将氮掺杂还原氧化石墨烯/氧化锆（N-Rgo/ZrO2）复合支架与牙髓干细胞（DPSCs）结合，通过双重机制促进骨再生：一方面通过诱导M2型巨噬细胞极化（上调CD206/Arg1/IL-10，抑制IL-6）改善免疫微环境；另一方面激活ERK/p38 MAPK信号通路（p-ERK1/2↑，p-p38↑）驱动RUNX2/OSX介导的成骨分化（ALP/OPN/OCN↑）。动物实验证实该组合可显著改善大鼠下颌骨缺损的胶原纤维排列和骨小梁结构，为颌面部骨修复提供新策略。

　　

1 Introduction

颌面部骨缺损修复面临重大临床挑战，而牙髓干细胞（DPSCs）因其多向分化潜能和免疫调节特性成为理想候选。这类源自神经嵴的间充质干细胞（MSCs）表达典型标志物（CD90⁺ 90.16%，CD29⁺ 99.27%），且能通过Alizarin Red（成骨）、Alcian Blue（成软骨）和Oil Red O（成脂）染色证实其三系分化能力。巨噬细胞在骨再生中扮演关键角色——M1型（促炎）分泌IL-6/TNF-α，而M2型（抗炎）高表达CD206/Arg1。研究团队前期发现氮掺杂还原氧化石墨烯/氧化锆（N-Rgo/ZrO₂）复合支架能优化DPSCs的迁移和糖酵解，但其协同机制尚待阐明。

2 Materials and methods

实验采用Transwell共培养系统：下层放置N-Rgo/ZrO₂（通过Hummers法制备并经NH₃退火氮掺杂）、DPSCs或其复合物，上层为THP-1巨噬细胞。通过qPCR检测M1/M2标志物，Western blot分析MAPK通路（ERK1/2/p38磷酸化）。建立大鼠下颌骨全层缺损模型，分组植入不同材料8周后，采用H&E和Masson染色评估骨组织结构，并检测成骨标志物（RUNX2/ALP/OCN）表达。

3 Results

3.1 DPSCs特性验证

流式细胞术显示DPSCs高表达CD29/CD90（>90%），且经诱导后能形成钙结节（成骨）、蛋白聚糖（成软骨）和脂滴（成脂）。

3.2 体外免疫调节效应

N-Rgo/ZrO₂+DPSCs组显著上调巨噬细胞M2标志物（CD206/Arg1/IL-10 mRNA增加2-3倍），同时抑制IL-6。Western blot显示该组合使p-ERK1/2和p-p38蛋白表达较单处理组提高50%以上。

3.3 体内骨修复效果

Micro-CT显示复合治疗组骨小梁密度接近正常，Masson染色可见蓝色胶原纤维规则排列。分子分析发现RUNX2/ALP/OCN蛋白水平较模型组提升3-5倍，且p38磷酸化水平与骨再生程度呈正相关。

4 Discussion

该研究揭示了N-Rgo/ZrO₂支架通过双重协同机制增强DPSCs疗效：

1. 1.

   免疫微环境重塑：石墨烯的导电性促进DPSCs分泌TNF-α，驱动巨噬细胞向M2型转化，而ZrO₂纳米颗粒清除ROS进一步减轻炎症；

2. 2.

   机械传导激活：支架纳米拓扑结构通过Piezo1离子通道触发ERK/p38级联反应，加速RUNX2介导的成骨分化。

相比纯氧化锆支架，氮掺杂使石墨烯表面电荷分布优化，蛋白质吸附率提升30%；而相较于聚合物材料（如PCL），其抗压强度更适合负重骨修复。但研究存在局限：未明确细胞因子细胞来源，且需MAPK抑制剂验证通路必要性。未来可通过单细胞测序解析DPSCs异质性，并开展大型动物实验推动临床转化。

这项成果为颌面部骨再生提供了"免疫调节-成骨分化"双靶点策略，尤其适用于骨质疏松或创伤性骨缺损的个性化治疗。