南京大学生医工魏辉教授最新Nat. Commun. | 纳米酶工程衬垫用于主动预防磨损颗粒诱导的骨溶解
关节疾病的发病率在全球范围内逐年上升，已成为当今不容忽视的重大公共卫生问题，人工关节置换术是其首选治疗措施。尽管近年来假体设计和手术方法不断进步，但是磨损颗粒诱导的骨溶解（WPO）及其引发的无菌松动仍然显著影响关节假体的使用寿命，制约了关节置换的长期成功率。磨损颗粒无法被吞噬细胞有效清除，引发活性氧（ROS）的过量分泌，进而引起免疫微环境紊乱和骨溶解的发生，最终导致假体松动。因此，提升假体衬垫材料的力学性能和生物相容性对延长关节假体使用寿命具有重要意义。超高分子量乙烯（UHMWPE）是使用最为广泛的衬垫材料，目前对其优化策略围绕改善其表面性质、交联度等力学性能展开，以减少磨损颗粒的产生。然而，这种被动预防的策略无法完全避免磨损颗粒的产生，且未关注颗粒产生后对免疫系统的干扰作用。
针对以上问题，南京大学生医工学院魏辉教授团队提出了“主动预防”的衬垫设计策略，成功合成了氧化铈（CeO2）功能化的UHMWPE（CZPE），通过抗氧化型纳米酶的掺杂对UHMWPE进行长期抗氧化保护，并证明了CZPE在耐磨性方面的提升和长期抗氧化能力（如图1）。通过小鼠股骨远端植入模型和转录组测序验证了CZPE颗粒的体内免疫调控作用，能显著抑制髓内浆细胞浸润，从而预防无菌性松动。该研究拓展了纳米酶在骨科植入物中的应用潜力，为免疫调节型人工关节材料的开发提供了新的研究思路。
图1 以CZPE为例的“主动预防”策略示意图。
研究过程：
本研究采用原位合成法在UHMWPE中实现了CeO2 NPs的均匀生长以获得CZPE。通过改进的油相合成法，使用乙酰丙酮铈作为金属有机前驱体，在UHMWPE的十氢萘溶液中合成了CeO2 NPs（图 2.1a）。XRD分析证明了CeO2在UHMWPE基质中的成功生长。与传统机械共混法获得的CeO2 NPs增韧PE相比，CZPE中纳米颗粒的分散性明显提升。制备了CeO2质量分数为1%、5%和10%的CZPE，分别命名为CZPE-1、CZPE-5和CZPE-10。进一步探究了CZPE的抗老化性能，揭示了CeO2 NPs对聚乙烯基体氧化老化进程的延缓作用。同时，针对拉伸强度、抗冲击强度及耐磨性等关键机械性能开展综合评价，阐明了纳米增强相在多种受力情况下的力学增强作用，为开发长效稳定的人工关节材料提供了理论与实验依据。综合CZPE样品的抗老化性能和机械增强效果，发现CeO2 NPs作为UHMWPE基体增韧剂的理想掺杂浓度是5 wt%。因此，选择CZPE-5作为原料制备了CZPE膝关节衬垫中试样品，以验证原位合成法在批量化生产中的实际应用潜力（图2）。
图2 CZPE样品表征。
CZPE颗粒展现出基于CeO2纳米酶催化活性的抗氧化能力，在储存时间和循环抗氧化次数两个维度具有长期稳定性。THP-1诱导的巨噬细胞膜型中，相较于PE组胞内ROS水平降低约25%，表现出减弱的巨噬细胞刺激作用。qRT-PCR分析表明，CZPE显著降低了M1型极化标志基因NOS2、CD86等的mRNA表达，促进了M2型标志基因CD163表达，具有免疫调控效应。同时，CZPE组相较于PE组显著降低了破骨细胞面积（约为其59%），延缓了破骨细胞的分化进程（如图3）。
图3 CZPE颗粒具有降低的促炎和促破骨吸收作用。
为了还原临床情境，本研究通过在小鼠股骨远端植入骨钉后，注射不同颗粒建立了股骨远端植入模型。Micro-CT成像结果显示，相较于PE颗粒，CZPE颗粒在缓解骨髓腔内骨溶解方面展现出显著优势，骨小梁结构保存相对完整。同时，纤维囊厚度及α-SMA+成纤维细胞数量与Ctrl组相比无显著增加，表明CZPE颗粒刺激未明显加重骨钉周围的异物反应，有助于植入物的长期稳定。
图4 CZPE颗粒降低WPO概率。
对转录组测序数据分析发现，CZPE组与PE组之间存在显著的B淋巴细胞相关基因表达差异。CZPE组观察到的骨髓内浆细胞浸润减少，可能的原因是CZPE颗粒抗炎作用和较低的免疫刺激阻止了巨噬细胞等抗原呈递细胞促进浆细胞活化的过程。通过检测U266B1细胞注射后小鼠骨吸收的情况发现，浆细胞浸润的增强削弱了CZPE颗粒对骨吸收的缓解作用，表明CZPE颗粒对浆细胞浸润的缓解有助于改善髓内骨吸收情况，且这种免疫调控机制在CZPE颗粒介导的无菌松动抑制效应中发挥重要作用。
图5 CZPE通过调控缓解浆细胞浸润预防WPO。
总结
本文针对关节衬垫磨损颗粒引发无菌松动的问题，从材料的优化设计出发，首次提出了“主动预防”的衬垫设计策略，通过制备CeO2纳米酶改性的新型聚乙烯材料对这一设计策略的可行性进行验证。CeO2纳米酶掺杂赋予了CZPE抗氧化性能，因此与PE颗粒相比，CZPE颗粒具有降低的免疫刺激作用，可实现髓内炎症反应的缓解和浆细胞浸润情况改善。这种免疫微环境的改善有助于减轻植入物引发的异物反应和骨吸收现象，从而预防无菌松动的发生。
据悉，本工作发表后被科技网站Nanowerk以“Nanozyme liners reduce inflammatory wear debris from joint implants”为题作为亮点（Spotlight）进行了专门报道。
图6科技网站专题报道。
媒体报道：
https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=69597.php
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-74063-3
