南京医科大学于金华《ACS Nano》锌铈层状双氧化物纳米酶多功能水凝胶(GelMA-ZC-Yoda1)促进骨再生
- 2026-05-09 14:09:50
南京医科大学于金华《ACS Nano》锌铈层状双氧化物纳米酶多功能水凝胶(GelMA-ZC-Yoda1)促进骨再生
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通讯作者：胡德林、Yi Hu、于金华单位：安徽医科大学第一附属医院、南京医科大学附属口腔医院期刊：ACS Nano（2025 年）核心成果：将锌铈层状双氧化物（ZnCe-LDO）纳米酶与 Piezo1 激活剂 Yoda1 载入 GelMA，构建可注射多功能水凝胶，通过重编程炎症巨噬细胞 + 激活 Piezo1/YAP1 通路，协同促进成骨与血管再生。 
甲基丙烯酰化明胶（GelMA） | GMP生产 | 300元每克 | 可提供无菌溶液 研究背景 过度炎症会抑制血管化与骨再生，单一抗炎策略难以实现高效骨修复。巨噬细胞 M1/M2 极化失衡是炎症失控的关键，纳米酶可清除 ROS、调控巨噬细胞表型；锌、铈离子可促进成骨与血管生成；Piezo1 通道作为力学感受器，可调控骨稳态。本研究将 ZnCe-LDO 纳米酶与 Yoda1 结合，构建集抗炎、促骨、促血管化于一体的水凝胶，为炎症相关骨缺损提供新型治疗方案。 技术实验 1. 材料制备与表征 采用水热法合成 ZnCe-LDO 纳米酶，将其与 Yoda1 共载入 GelMA，经紫外光交联得到 GelMA-ZC-Yoda1 水凝胶。 
图 1：展示 ZnCe-LDO 纳米酶与复合水凝胶的表征结果，ZnCe-LDO 为均匀层状纳米颗粒，粒径 275±11.6nm，具备类过氧化氢酶活性，可分解过氧化氢提升溶氧量；复合水凝胶呈多孔结构，储能模量高于损耗模量，力学稳定，压缩强度达 133.9kPa，可注射成型；锌、铈离子持续缓释，14 天累积释放量分别为 1.12、1.58μg/mL，Yoda1 14 天释放率 47.9%，降解速率匹配骨再生周期。 2. 体外巨噬细胞表型调控 以 LPS 构建炎症模型，在 37℃、5% CO₂条件下培养 RAW264.7 巨噬细胞。 
图 2：展示水凝胶对巨噬细胞体外表型转化的调控作用，ZnCe-LDO 可高效清除胞内 ROS，显著降低 M1 型标志物（TNF-α、IL-1β、iNOS），升高 M2 型标志物（TGF-β、IL-10、Arg-1），促进 M1 向 M2 极化；同时上调 Bmp2、Vegf 表达，间接促进成骨与血管生成。 
图 3：展示不同处理组巨噬细胞的转录组测序分析结果，ZnCe-LDO 通过抑制 MAPK 与 TNF 信号通路，降低下游蛋白磷酸化水平，实现巨噬细胞重编程。 3. 体外成骨与血管化性能 以大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）与人脐静脉内皮细胞（HUVECs）为模型，评价生物功能。 
图 4：展示水凝胶的体外成骨性能，GelMA-ZC-Yoda1 可显著提升 ALP 活性、钙结节沉积量，上调 Runx2、Osx、Ocn 等成骨基因；通过 Yoda1 激活 Piezo1/YAP1 通路，进一步增强成骨分化。 
图 5：展示水凝胶的体外血管化性能，复合水凝胶可促进 HUVECs 迁移与管样结构形成，上调 VEGF、eNOS 等血管化基因，同样通过 Piezo1/YAP1 通路发挥作用。 
图 6：展示巨噬细胞条件培养基对成骨与血管化的间接调控作用，经复合水凝胶调控的巨噬细胞上清，可显著提升 rBMSCs 成骨与 HUVECs 血管化能力。 4. 体内骨缺损修复评价 构建大鼠直径 5mm 颅骨缺损模型，每组 n=6，注射水凝胶后紫外光固化，观察 8 周。 
图 7：展示水凝胶的体内免疫调控效果，术后 2 周，复合水凝胶可降低缺损区 TNF-α、iNOS 表达，升高 IL-10、Arg-1、BMP2、VEGF 水平，促进 M2 型巨噬细胞浸润，构建促再生免疫微环境。 
图 8：展示水凝胶的体内骨再生效果，术后 8 周，Micro-CT 显示 GelMA-ZC-Yoda1 组骨体积分数（BV/TV）与骨密度（BMD）显著高于其他组，新生骨量大且致密；组织染色显示新生骨小梁与血管丰富，修复效果最优。 
图 9：展示体内成骨与血管化标志物染色结果，复合水凝胶可显著升高 RUNX2、OCN、CD31、Piezo1、YAP1 表达，证实体内激活 Piezo1/YAP1 通路，协同促进成骨与血管化。 5. 体内生物安全性 术后 8 周取材心、肝、脾、肺、肾，组织染色无病理损伤；血常规与生化指标无异常，证实水凝胶系统生物安全性优异。 结论与展望 本研究成功研发GelMA-ZC-Yoda1 多功能可注射水凝胶，ZnCe-LDO 纳米酶通过清除 ROS、抑制 MAPK/TNF 通路，重编程炎症巨噬细胞，构建抗炎微环境；持续释放锌、铈离子直接促进成骨与血管化；Yoda1 激活 Piezo1/YAP1 通路，进一步强化骨 - 血管耦合再生。该水凝胶可注射、力学适配、降解可控、安全性高，在创伤、炎症、糖尿病等复杂骨缺损修复中具有广阔临床转化前景，未来可结合干细胞与生长因子，进一步提升修复效果。 原文信息 
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标题：ZnCe-LDO Nanozyme-Based Multifunctional Hydrogel Promotes Bone Regeneration by Inflammatory Macrophage Reprogramming and Piezo1 Activation
DOI：10.1021/acsnano.5c10123
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