Advanced Materials | 一种具有骨-血管-免疫耦合效应的假毛蛆足蛋白基水凝胶粘合剂，用于骨质疏松性骨-种植体整合

骨质疏松性骨基质中骨科植入物的初始稳定性降低，加上骨-植入物界面处过度的 M1 巨噬细胞极化，破坏了骨免疫稳态和血管化，最终导致植入物松动或失败。受海洋贻贝 Mytilus edulis 足蛋白 （Mefp） 的启发，开发了一种具有广谱粘附能力的 pH 响应型多功能骨胶 （YDC-Gel-Zn），用于骨质疏松性骨-种植体整合。这种伪 Mefp 生物胶通过富含儿茶酚的序列实现双界面粘附，介导与金属植入物的稳定金属-酚类配位以及氢键/迈克尔加成驱动的与骨基质的相互作用，从而改善初始植入物固定。在骨质疏松性炎症微环境中，硼酸酯键和金属酚配位的顺序解离促进了 Zn²⁺和促血管生成/成骨肽（YDC）的受控释放。释放的 Zn²⁺通过谷胱甘肽 S-转移酶（GST）介导的谷胱甘肽（GSH）水平调节重塑谷胱甘肽代谢，抑制 JAK1/STAT1/NLRP3 炎性小体激活，抑制衰老 M1 巨噬细胞释放促炎细胞因子，重新校准骨-血管-免疫微环境。由于其对骨再生和血管生成的积极作用，仿生骨生物胶在骨质疏松大鼠模型中的固定强度提高了 194%，实现了 93% 的健康骨植入稳定性。总体而言，本研究通过协同机械适应、生物活性调节和智能环境响应性，为骨质疏松条件下的稳定植入提供了一种临床可转化的策略。

该研究以题为“A Pseudo-Mytilus Edulis Foot Protein-Based Hydrogel Adhesive with Osteo-Vascular-Immune Coupling Effects for Osteoporotic Bone-Implant Integration”发表在Advanced Materials上。

YDC-Gel-Zn的合成及其在促进骨-植入物骨结合中的双界面粘附和顺序调控。A) YDC和Gel-PBA的结构示意图，以及通过硼酸酯键和金属-酚类配位交联形成的YDC-Gel-Zn生物胶。B) 生物胶的双界面粘附以及在骨质疏松大鼠股骨内植入过程中植入物-骨表面整合的三个阶段。C) pH响应性生物胶通过GST/ROS/JAK1/STAT1/NLRP3信号通路的免疫调节生物机制。

生物胶的双界面粘附性和止血性能。A–C）YDC-Gel-Zn的频率扫描、应变扫描和时间依赖流变学特性曲线，显示储能模量（G′）和损耗模量（G″）。D）不同pH值下YDC-Gel-Zn的溶解动力学（n = 3）。E）YDC-Gel-Zn生物胶的自愈能力。F）YDC-Gel-Zn生物胶的可注射性和可成型性。G）YDC-Gel-Zn应用及其双界面粘附机制的示意图。H）生物胶在干湿环境下的双界面粘附能力。I–J）YDC-Gel、YDC-Gel-Zn和CA在骨板-钛片界面的拉伸测试。K–L）YDC-Gel、YDC-Gel-Zn和CA在骨板‒钛片界面的剪切强度评估。分析图中的数据以平均值 ± 标准差表示，*p < 0.05 和 **p < 0.01 表示具有统计学显著性。

体外生物胶对巨噬细胞极化的调控。A) 生物胶通过调节骨-植入界面处的巨噬细胞极化来调控局部骨免疫微环境的示意图（由 BioRender.com 制作）。B–C) 不同组别 BMM 中 Nos2 和 Arg1 表达水平的 RT‒qPCR 分析及定量结果（n = 3）。D–G) BMM 的免疫荧光染色以评估巨噬细胞极化（巨噬细胞标记 F4/80：绿色；M1 标记 iNOS：红色；M2 标记 CD206：红色；细胞核：蓝色）及免疫荧光染色的定量分析（n = 3）。H,K) 流式细胞术分析 BMM 中的巨噬细胞极化（巨噬细胞标记 CD11b，M1 标记 CD86，M2 标记 CD206）及相应定量分析（n = 3）。分析图中的数据以平均值 ± 标准差表示，其中 *p < 0.05 和 **p < 0.01 表示统计学显著性。

生物胶免疫调节作用的机制研究。A) 差异表达基因（DEGs）的火山图。B) 与炎症和衰老相关的DEGs热图。C–K) 与炎症和衰老相关的DEGs的qPCR验证（n = 3）。L) DEGs的GO富集分析。M) 下调DEGs的KEGG通路分析。N‒P) 与炎症和衰老相关通路的GSEA分析。Q–V) 与NOD样受体信号通路和JAK1/STAT1信号通路相关蛋白的Western blot分析及定量（n = 3）。分析图中的数据以均值 ± 标准差表示，*p < 0.05 和 **p < 0.01 表示统计学显著性。

生物胶有效调节螺钉-骨界面的免疫微环境。A) 动物实验设计示意图（由BioRender.com制作）。B) 螺钉-骨界面组织的H&E染色。C) 螺钉-骨界面巨噬细胞浸润的免疫荧光染色。D) 螺钉-骨界面的免疫组化分析。E) 螺钉-骨界面组织的衰老相关免疫荧光染色。F,G) 组织荧光染色切片中iNOS与Arg-1巨噬细胞（iNOS & CD68 / Arg-1 & CD68）的比例（n = 5）。分析图中数据以均数 ± 标准差表示，*p < 0.05 和 **p < 0.01 表示具有统计学显著性。

总结

骨质疏松患者骨头脆、血供差，植入钉子后界面还容易发炎，常常导致内固定失败。这篇研究从海洋贻贝的粘附蛋白里找灵感，设计了一种pH响应的多功能骨胶YDC-Gel-Zn。它的核心设计在于双界面粘附：靠儿茶酚结构既能和钛合金钉子形成金属配位，又能和骨基质产生氢键，把钉子和骨头牢牢“粘”在一起。更巧妙的是，在植入早期炎症带来的酸性微环境里，这个胶会响应性释放锌离子和促骨/促血管的多肽。锌离子能通过调控谷胱甘肽代谢，抑制JAK1/STAT1/NLRP3这条炎症通路，把捣乱的M1巨噬细胞往修复型M2方向拉，同时减少巨噬细胞衰老，给骨头长好创造一个干净的免疫环境。

在骨质疏松大鼠模型里，用了这个胶的螺钉拔出力比对照组提高了194%，恢复了93%的健康骨固定强度。组织染色和CT也证实，界面处的新骨更密、血管更多。这个工作有意思的点在于，它没停留在单纯的材料粘附，而是通过动态化学键的设计，把物理固定、免疫调节、促骨促血管这三个功能按时间顺序串起来了——早期抗炎、中期成骨、后期稳定。对于临床骨质疏松内固定松动这个老大难问题，这种集成了多重功能的可注射胶水，确实提供了一条挺务实的解决路径。

参考文献：

DOI: 10.1002/adma.202511840