K8·凯发(中国)

针对上述问题，四川大学华西医院钱志勇教授团队提出了一种金属有机框架（MOF）介导的矿化策略，在纯锌基底上构建了集成聚吡咯纳米颗粒（Ppy NPs）的多功能导电水凝胶涂层（Zn/H@MP）。该涂层顺利获得MOF矿化层实现Zn²⁺/Cu²⁺可控释放、稳定植入物界面，Ppy NPs建立内源性电活性微环境，二者协同促进施万细胞功能活性与神经营养因子分泌，进而顺利获得神经-成骨通讯增强MSCs成骨分化。该文章于2026年9月3日以《A multifunctional MOF-mineralized conductive hydrogel coating on zinc implants orchestrates neuro-osteogenic coupling for enhanced bone defect repair》为题发表于《Bioactive Materials》（DOI：10.1016/j.bioactmat.2026.08.050）。

方案1. 锌基生物活性MOF矿化导电水凝胶涂层的构建与作用机制。（a）锌基生物活性MOF矿化导电水凝胶涂层的制备流程。（b）工程化锌复合材料顺利获得导电纳米颗粒减轻Zn²⁺毒性并促进神经-成骨协同作用，顺利获得直接降低腐蚀与间接施万细胞介导的MSCs功能增强，加速骨再生。

（1）施万细胞在骨缺损愈合中增强MSCs的增殖与分化

为探索施万细胞在骨缺损修复中的作用及其与MSCs的串扰，团队建立大鼠股骨缺损模型。免疫组化显示，骨缺损周围泛神经元标志物TUBB3和感觉神经标志物CGRP的表达较假手术组显著上调，并随时间推移呈上升趋势；S100β（施万细胞标志物）免疫荧光定量显示损伤后施万细胞数量随时间增加，提示新骨形成与感觉神经再支配高度相关。Transwell共培养实验表明，与单独培养的MSCs相比，施万细胞显著促进MSCs活力；共培养3天和7天时，MSCs的OCN和RUNX2蛋白表达约为单独培养组的2倍，Western blot结果一致。这证实施万细胞可在体外促进MSCs成骨分化，为顺利获得刺激神经细胞增强成骨给予了依据。

图1. 施万细胞在骨缺损愈合过程中增强间充质干细胞的增殖与分化。（a）骨缺损形成15天后泛神经元标志物TUBB3和感觉神经元标志物CGRP的免疫组化染色。（b）S100β的免疫荧光染色及（c）荧光面积的定量分析（所有比例尺代表1 mm）。（d）Transwell共培养示意图。（e）CCK-8实验。（f）MSCs成骨分化标志物OCN和RUNX2的免疫荧光染色（所有比例尺代表50 μm）。（g、h）OCN和RUNX2荧光面积的对比定量分析。（i）成骨分化标志物OCN、RUNX2和OPN在MSCs中的蛋白表达及（j）定量荧光分析。

（2）Zn/H@MP涂层的制备与表征

导电Ppy NPs顺利获得一步法制备，TEM证实其为直径50–100 nm的球形颗粒。为提高涂层与锌基底的粘附，透明质酸（HA）经多巴胺修饰引入儿茶酚基团（¹H NMR证实取代度5.5%–11.4%），明胶经乙二胺胺化（N-Gel）。将HA-DA、N-Gel与海藻酸钠复合水凝胶涂覆于锌基底后，依次浸入Cu²⁺溶液和含Ppy NPs的H₃BTC乙醇溶液，实现HKUST-1 MOF在凝胶网络内的原位矿化锚定。SEM显示MOF矿化后表面呈约5 μm孔径的多孔粗糙形貌，EDS元素mapping证实了涂层的逐步构建；XRD特征峰与HKUST-1模拟图谱一致，FTIR出现Cu-O特征振动峰（1110 cm⁻¹、748 cm⁻¹），证实矿化成功。AFM显示矿化后粗糙度从约30 nm升至180 nm，接触角由72.7°降至32.0°。纳米划痕测试表明，MOF矿化使最大压入深度从约210 nm（Zn/H）降至100 nm，引入Ppy NPs后进一步降至75 nm，显著增强了涂层的界面粘附与力学稳定性。

图2. 锌基MOF矿化导电水凝胶的制备与表征。（a）Ppy NPs的TEM图像。HA与HA-DA的¹H NMR（b）和FTIR（c）光谱。Gel与N-Gel的¹H NMR（d）和FTIR（e）光谱。（f）不同锌基底表面的SEM图像。锌基表面水凝胶与MOF矿化水凝胶的XRD分析（g）和FTIR光谱（h）。（i）不同锌基底的AFM图像。（j）不同锌基底表面水接触角的定量测量。（k）纳米划痕测试后划痕形貌的SEM图像。纳米划痕测试取得的划痕距离-压入深度曲线（l）和划痕距离-残余深度曲线（m）。（n）纳米划痕测试最大压入深度的统计分析。

（3）导电性、体外降解与耐腐蚀性能

以不同水凝胶作为导体构建电路点亮LED，含Ppy NPs的H@MP水凝胶使LED发出明亮红光；定量测得电导率从H的0.13 mS/cm升至H@MP的0.85 mS/cm（8 wt% Ppy时达1.68 mS/cm），处于可显著促进神经细胞再生的1–6 mS/cm区间。PBS浸泡14天后，纯Zn组腐蚀严重，而Zn/H@MP组腐蚀形貌最轻微；激光共聚焦测算腐蚀体积比分别为63.12%、28.77%、10.34%和9.89%（Zn、Zn/H、Zn/H@M、Zn/H@MP），涂层使腐蚀体积比降低约53.23%。释放行为方面，浸泡30天后Zn²⁺浓度从7.5 mg/L（114.72 μM）降至2.6 mg/L（39.83 μM），低于50.00 μM的生物相容性阈值；Cu²⁺从0.165 mg/L降至0.103 mg/L（1.62 μM），远低于MSCs的IC50（约30 μM）。极化曲线与EIS均显示Zn/H@MP腐蚀电流密度最低、界面阻抗最大。机制上，MOF纳米层阻断H₂O/O₂扩散通道、选择性吸附PO₄³⁻并局部消耗Zn²⁺生成Zn₃(PO₄)₂沉淀，Ppy的-NH⁺竞争性吸附PO₄³⁻，协同延缓锌的腐蚀降解。

图3. 不同锌基材料的导电性、降解与腐蚀。（a）以不同类型水凝胶作为导体为LED灯供电的电路装置。（b）不同类型水凝胶的电导率。（c）不同锌基材料在PBS中浸泡14天后的SEM图像。（d）不同锌基材料在PBS中浸泡14天后表面的CLSM图像。（e）不同锌基材料在PBS中浸泡14天后最大蚀坑面积与最大蚀坑深度的统计分析。（f）不同锌基材料在PBS中浸泡14天后的pH值变化。（g、h）不同材料在PBS（g）和含10% FBS的DMEM（h）中的Zn²⁺累计释放曲线。（i、j）不同材料在PBS（i）和含10% FBS的DMEM（j）中的Cu²⁺累计释放曲线。（k）动电位极化曲线、（l）Nyquist图、（m）阻抗-频率Bode图和（n）相位角-频率Bode图。（o）不同锌基材料在PBS中浸泡14天后的XRD分析。（p）Zn/H@MP腐蚀防护与降解机制的示意图。

（4）Zn/H@MP体外促进施万细胞迁移与分化

Live/Dead染色显示RSCs在各组材料上均无显著死亡，生物相容性良好。划痕与Transwell实验表明，Zn/H@MP组RSCs迁移能力最强，24 h后划痕区域几乎被完全覆盖。免疫荧光显示Zn/H@MP组S100β和Tuj1表达显著高于纯Zn组；三维CLSM重建与定量分析显示，Zn/H@MP使RSCs轴突伸长较Zn、Zn/H、Zn/H@M分别提升1.24、1.37和2.39倍。ELISA检测显示，Zn/H@MP组RSCs分泌NGF、BDNF、GDNF、CGRP和SP的水平均为各组最高。这些结果说明，Ppy NPs赋予的导电界面（而非粗糙度或润湿性变化）与持续离子信号协同，构建了有利于施万细胞修复表型的电活性微环境。

图4. 锌基MOF矿化导电水凝胶体外促进RSCs的迁移与分化。（a）RSCs的Live/Dead染色。（b）不同材料表面上RSCs的划痕实验。（c）迁移穿过Transwell的RSCs的结晶紫染色。（d）迁移至划痕区域的RSCs覆盖率的定量统计。（e）迁移RSCs的定量统计。（f）RSCs的CCK-8实验。RSCs表面标志物S100β（g）和髓鞘再生标志物Tuj1（h）的免疫荧光染色。S100β（i）和Tuj1（j）荧光面积的对比定量分析。（k）在不同材料表面培养的RSCs的三维形态。（l）在各种材料表面培养的RSCs的形态。（m）RSCs长度的定量分析。（n）不同材料表面上RSCs的SEM图像。（o）与Zn、Zn/H、Zn/H@M和Zn/H@MP共培养的RSCs分泌的NGF、BDNF、GDNF、CGRP和P物质（SP）的ELISA定量（上排：第3天，下排：第7天）。

（5）施万细胞旁分泌信号促进MSCs成骨分化

团队进一步验证了施万细胞来源的旁分泌信号对成骨的贡献：将不同材料组RSCs的条件培养基作用于MSCs，Zn/H@MP组条件培养基在7和14天时显著增强ALP染色与活性，14和21天时ARS矿化结节形成最多，并显著上调BMP2、RUNX2、OCN、OPN基因表达。在"神经-成骨再生"共培养体系中，Zn/H@MP组MSCs的ALP活性较单独培养组在第7、14天分别提高1.53倍和2.57倍，矿化结节形成在第14、21天分别提高1.06倍和2.22倍。其机制涉及三重协同：Ppy导电网络与Zn²⁺/Cu²⁺促RSCs分泌BDNF/NGF/GDNF激活BMP/Smad与Wnt/β-catenin通路；MOF微/纳拓扑结构促进MSCs分泌纤维连接蛋白等ECM，形成SC-MSC-ECM正反馈；Cu²⁺交联水凝胶持续低剂量刺激进一步强化该神经-成骨级联。

图5. 在Zn/H@MP表面上单独培养及与RSCs共培养的MSCs的成骨分化。（a）传统成骨再生与神经-成骨再生的示意图。在不同样品上培养的MSCs的ALP染色（b）和ALP活性（d）。在不同样品上培养的MSCs矿化基质沉积的ARS染色（c）及定量分析（e）。在不同样品上与RSCs共培养的MSCs的ALP染色（f）和ALP活性（h）。在不同样品上与RSCs共培养的MSCs矿化基质沉积的ARS染色（g）及定量分析（i）。误差线表示平均值±SD（n = 3）。采用单因素方差分析。P < 0.05，P < 0.01，P < 0.001。（j）在不同样品上与SCs共培养的MSCs中成骨分化标志物OCN和RUNX2的免疫荧光染色。

（6）转录组学揭示成骨与神经调控程序激活

对Zn（B组）与Zn/H@MP（G组）上培养7天的MSCs进行转录组测序：PCA显示两组清晰分离，共鉴定出2674个显著上调和1866个下调基因。KEGG富集分析显示差异基因显著富集于PI3K-Akt信号、细胞粘附分子、TNF信号及细胞因子-受体互作等通路；GO分析显示富集于炎症/免疫反应、血管生成正调控，以及成骨细胞分化、骨矿化、BMP信号通路；值得注意的是还显著富集于神经肌肉接头、神经元突触可塑性调控和神经发育等过程。Runx2、Bmp2、Bmp6、Igf1、Smad3等成骨关键基因显著上调，转录组结果支持"Zn/H@MP在促成骨的同时营造神经支持性微环境"这一神经-成骨耦联假说。

图6. 培养7天后MSCs成骨分化与神经再生的转录组分析。（a）PCA图显示Zn（B组）与Zn/H@MP（G组）样品之间的清晰分离。（b）差异表达基因（DEGs）的火山图，红色和蓝色分别表示上调和下调。（c）DEGs的热图。（d）DEGs的KEGG富集分析，点图显示前13条通路条目。（e）DEGs的GO功能富集分析，点图显示前20条通路条目。（f）与成骨相关的前20条富集GO信号通路。（g）成骨细胞分化通路中DEGs的热图。（h）由差异表达基因预测的蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络。

（7）体内生物安全性评价

植入8周后，各组肝肾功能指标（ALT、AST、ALP、Urea、CREA、UA）无显著变化，心、肝、脾、肺、肾H&E染色未见明显病理异常，证实Zn/H@MP植入物良好的全身生物相容性。ICP分析显示，与纯Zn相比，Zn/H@MP显著降低肝、脾、肾中Zn²⁺的蓄积，MOF来源的Cu²⁺始终维持在低水平而无过量沉积，表明层级涂层有效调控金属离子释放、最小化全身离子暴露。

图7. 不同表面涂层锌植入物的体内生物安全性评价。（a、b）术后8周的血液生化检测：（a）肝功能标志物ALT、AST和ALP，（b）肾功能标志物Urea、Crea和UA。（c）术后8周心、肝、脾、肺、肾的代表性H&E染色图像。（d）术后4周和8周脾、肝、肾中Zn²⁺蓄积的定量ICP分析。（e）术后4周和8周脾、肝、肾中Cu²⁺蓄积的定量ICP分析。

（8）Zn/H@MP体内促进外周神经再生

免疫荧光显示，术后第3天Zn/H@MP组缺损周围S100β信号已显著高于其他各组；第7天施万细胞募集与增殖最为显著；第30天S100β表达回落，符合伤口愈合由急性期向重塑期过渡的规律。Tuj1在第7天于Zn/H@MP组显著增强，提示中期髓鞘化进程被主动促进。术后4和8周的NF200与CGRP免疫荧光显示，Zn/H@MP组外周神经纤维成熟与感觉再支配显著强于其他各组。同时，Zn/H@MP还降低TNF-α表达、升高IL-10表达，促进巨噬细胞向M2表型极化，营造有利的免疫微环境，在整个骨修复周期内持续支持外周神经再生。

图8. 锌基MOF矿化导电水凝胶促进体内神经再生。（a）在大鼠中建立骨缺损并植入锌基底的流程示意图。（b）S100β和（c）Tuj1在骨缺损区域表达的免疫荧光图像。（d）S100β和（e）Tuj1荧光面积的对比定量分析。（f）骨缺损区域NF200和CGRP表达的免疫荧光图像。（g）NF200和（h）CGRP荧光面积的对比定量分析。

（9）Zn/H@MP体内促进新骨形成与骨整合

推出实验显示，Zn/H@MP组在4和8周时均具有最高的最大推出力和界面剪切强度，证明涂层在体内机械载荷下结构稳定、植入物-骨界面稳固。Micro-CT三维重建显示，术后8周Zn/H@MP组植入物界面新骨形成最多、骨小梁最粗；定量分析显示骨体积分数（BV/TV）、骨小梁数量（Tb.N）与骨小梁厚度（Tb.Th）均显著优于其他各组，新骨体积分数达79.46%。同时，纯Zn植入物出现明显腐蚀与结构损伤，Zn/H@MP残留锌体积最高，证明层级涂层有效减缓锌降解。H&E与Masson染色显示Zn/H@MP组植入物周围新生骨组织最为丰富；免疫组化显示新骨内ALP、I型胶原（COL-I）和OCN表达水平最高，共同证实该涂层在体内强大的促成骨潜能。

图9. 锌基MOF矿化导电水凝胶促进体内新骨形成。（a）4周时不同植入物推出测试的代表性力-位移曲线。（b）8周时不同植入物推出测试的代表性力-位移曲线。（c）4周和8周时不同组最大推出力的定量分析。（d）根据推出试验计算的4周和8周界面剪切强度的定量分析（界面剪切强度根据最大推出力和植入物-骨接触面积计算）。（e） incubation 8周后种植体周围区域新骨形成的Micro-CT观察（灰色区域为骨组织，白色虚线表示植入物位置）。自上而下：冠状面、矢状面和正交视图。关键骨结构参数的定量分析：（f）骨体积/总体积比（BV/TV），（g）骨小梁数量（Tb.N），（h）骨小梁厚度（Tb.Th）。（i）植入8周后不同植入物周围新骨的H&E染色图像。红色箭头表示植入物周围新骨小梁形成。（j）植入物周围新骨中OCN、COL-I和ALP的免疫组化染色图像。（k）OCN、COL-I和ALP的积分光密度。