在糖尿病（DM）全球发病率持续攀升的背景下，高血糖引发的骨折不愈合或延迟愈合已成为骨科临床治疗中的严峻挑战。这种病理状态的核心障碍在于，持续的高血糖环境会诱导活性氧（ROS）在细胞内过度堆积，并伴随慢性炎症反应，两者协同破坏了细胞的能量工厂——线粒体的功能。当线粒体稳态失衡，骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨能力和局部血管生成能力便会大幅下降，导致骨修复进程陷入停滞。传统的骨工程支架往往由于功能单一、机械强度不足或药物生物利用度低，难以在如此复杂的病理微环境中发挥有效作用。

鉴于此，南京第一医院骨科梁斌、尹昭伟团队通过微流控技术设计了一种新型复合系统：负载 β-乳香酸（BA）脂质体的 GelMA/纳米羟基磷灰石（nHAP）复合水凝胶微球（GM@HAP@BA），该系统模拟了天然骨的有机-无机复合结构。研究采用溶剂-反溶剂法将 BA 封装于脂质体中以增强稳定性，随后将其与 nHAP 共同负载至 GelMA 基质内。相关成果以“β-Boswellic acid/nHAP/GelMA hydrogel microspheres promote diabetic bone regeneration by enhancing mitophagy”为题目，发表在期刊《Applied Materials Today》上。

这种复合水凝胶微球在糖尿病骨折微环境中实现了 BA 的持续释放；BA 通过抑制 PI3K/Akt/mTOR 通路，进而激活 PINK1/Parkin 介导的线粒体自噬（mitophagy），从而清除受损线粒体，降低细胞内 ROS 水平并改善病理微环境。同时，GelMA 提供了细胞粘附支架，nHAP 则增强了材料的机械性能与成骨传导性，两者协同促进了成骨细胞功能和新骨形成。此外，GM@HAP@BA 还展现出优异的生物相容性。这种集结构支持与靶向病理调节于一体的集成化水凝胶系统，为难治性糖尿病骨折的治疗提供了一种极具前景的策略。

本文要点：

1. 研究背景与挑战

• 糖尿病骨折愈合难题：糖尿病引起的高血糖会导致活性氧（ROS）过度产生和促炎微环境，这会损害线粒体功能、抑制成骨作用并延迟愈合。
• 现有材料局限性：传统的骨组织工程材料往往机械性能不足，且生物活性成分稳定性差、生物利用度低。

2. 材料设计与结构

• 仿生组分：研究者利用微流控技术设计了负载 β-乳香酸（BA） 脂质体的 GelMA（甲基丙烯酰化明胶）/纳米羟基磷灰石（nHAP） 复合水凝胶微球（GM@HAP@BA）。
• 结构功能：

• GelMA：提供细胞粘附支架。
• nHAP：增强机械性能和成骨诱导性，模拟天然骨的无机成分。
• BA（β-乳香酸）：从乳香中提取，具有抗炎、抗氧化和促进线粒体自噬的作用。通过脂质体封装增强了其稳定性和缓释能力。

3. 核心作用机制

• 调节 PI3K/Akt/mTOR 通路：BA 通过抑制这一信号通路，进而激活 PINK1/Parkin 介导的线粒体自噬（mitophagy）。
• 改善微环境：线粒体自噬能够清除受损线粒体，降低细胞内 ROS 水平，缓解高糖诱导的氧化应激损伤。
• 免疫调节：该材料能诱导巨噬细胞从促炎的 M1 型向促再生的 M2 型极化，创造有利于成骨的免疫微环境。

4. 生物学效应与实验结果

• 促进成骨与血管生成：实验证明 GM@HAP@BA 能显著提高成骨细胞（BMSCs）的 ALP（碱性磷酸酶）活性、促进矿化，并上调 VEGF 表达以增强血管生成。
• 体内修复效果：在糖尿病小鼠骨折模型中，该材料显著增加了骨痂形成、骨矿物质密度（BMD）和骨体积分数（BV/TV），实现了更佳的骨折端桥接。
• 良好的生物安全性：该微球具有优异的细胞相容性和血液相容性，在体内未观察到明显的全身毒性或主要器官损伤。

5. 结论

GM@HAP@BA 是一种集结构仿生、靶向药物递送和细胞内调节于一体的多功能生物材料。它通过恢复线粒体稳态和改善病理微环境，为临床治疗难治性糖尿病骨折提供了一种极具潜力的精密治疗方案。

图 1 GM 和 GM@HAP 微球的微流控构建及表征。(A) GelMA (GM) 和 GM@HAP 微球的微流控构建示意图。(B) 在微流控芯片中形成均匀的油包水 (W/O) 液滴，作为微球合成的模板。(C) 微球在氟化油中的纯化过程，随后在 PBS 中重新分散。比例尺：200 μm。(D) SEM 图像显示 GM 和 GM@HAP 微球的球形形貌。比例尺：30 μm 和 20 μm。(E) GM@HAP 微球的粒径分布，显示其窄分散性。(F) 由 GM 或 GM@HAP 微球组装而成的颗粒水凝胶（Granular Hydrogels）示意图。(G) GM 基和 GM@HAP 基颗粒水凝胶在 1% 应变下的频率扫描流变学测试。(H) 在低应变 (1%) 和高应变 (1000%) 交替作用下，储能模量 (G') 和损耗模量 (G'') 的恢复行为。(I) GM 基和 GM@HAP 基颗粒水凝胶的流动曲线。(J) GM@HAP 颗粒水凝胶通过锥形针头的挤出过程。(K) 将 GM@HAP 颗粒水凝胶 3D 打印成任意形状的结构。(L) 嵌入颗粒水凝胶内部的单个 GM@HAP 微球的放大视图。

图 2 负载 β-乳香酸 (BA) 脂质体的 GM@HAP@BA 水凝胶微球的表征。(A) BA 脂质体的 TEM（透射电镜）图像，比例尺：150 nm。(B) BA 脂质体的粒径分布。(C) GM@HAP@BA 水凝胶微球的 SEM（扫描电镜）图像，比例尺：30 µm。(D) GM@HAP 和 GM@HAP@BA 水凝胶微球在 1% 应变下的频率扫描测试。(E) GM@HAP 和 GM@HAP@BA 微球的步进应变自修复实验：在交替的高应变 (γ = 1000%) 和低应变 (γ = 1%) 循环下 G′ 和 G″ 的恢复情况。(F) GM@HAP 和 GM@HAP@BA 水凝胶微球的流动曲线。(G) GM@HAP@BA 水凝胶微球的降解曲线。(H) GM@HAP@BA 水凝胶微球中 BA 脂质体的释放曲线。(I) 荧光图像显示 BMSCs（骨髓间充质干细胞）对 BA 脂质体的摄取；绿色：肌动蛋白 (actin)，蓝色：细胞核，红色：脂质体 (lipo)，比例尺：20 µm。

图 3 与 BMSCs 共培养的 GM@HAP@BA 水凝胶微球的体外生物相容性。(A) 与 GM@HAP 和 GM@HAP@BA 水凝胶微球共培养的 BMSCs 的 Calcein-AM 活细胞染色，比例尺：100 µm。(B) 通过 CCK-8 实验评估暴露于 GM@HAP 和 GM@HAP@BA 水凝胶微球环境下的 BMSCs 的细胞毒性和增殖情况。(C) 与 GM@HAP 和 GM@HAP@BA 水凝胶微球共培养细胞的 SEM 图像，比例尺：20 µm。(D) 与 GM@HAP 和 GM@HAP@BA 水凝胶微球共培养的 BMSCs 的 F-actin/DAPI 染色；绿色：肌动蛋白，蓝色：细胞核，比例尺：50 µm。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001。

图 4 GM@HAP@BA 水凝胶微球在体外促进细胞迁移和血管生成。(A) 通过 Matrigel 成管实验评估与 GM@HAP@BA 水凝胶微球间接共培养 3-6 小时的 HUVECs（人脐静脉内皮细胞）的血管生成能力，比例尺：100 µm。(B-E) 管形成参数的定量分析，包括连接数、网格数、节点数和总管长度。(F) 免疫荧光检测 HUVECs 中 VEGF（血管内皮生长因子）的表达，比例尺：30 µm。(G) 划痕愈合实验（比例尺：200 µm）和 (I) Transwell 迁移实验（比例尺：50 µm）评估细胞迁移能力。(H) 划痕愈合的定量分析。(J) Transwell 迁移的定量分析。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001。

图 5 GM@HAP@BA 水凝胶微球的体外抗炎和抗氧化评价。RAW264.7 细胞在糖尿病模拟培养基刺激后与 GM@HAP@BA 水凝胶微球共培养。(A) 使用 DCFH-DA 检测 ROS（活性氧）的明场和荧光图像，比例尺：50 µm。(B) DCFH-DA 荧光强度的定量。(C) CD86 和 CD206 的免疫荧光染色；红色：CD86，绿色：CD206，比例尺：50 µm。(D–E) CD86 和 CD206 荧光强度的定量分析。(F) 促炎因子 (CD86, iNOS, IL-6) 和抗炎标记物 (ARG1, IL-10, CD206) 的 RT-qPCR 定量结果。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001。

图 6 模拟糖尿病条件下 GM@HAP@BA 水凝胶微球促进 BMSCs 成骨分化的验证。粘附后，BMSCs 在糖尿病条件培养基中培养，并与 GM@HAP@BA 水凝胶微球共培养。(A) 第 7 天 ALP（碱性磷酸酶）染色和第 14 天 ARS（茜素红）染色的代表性图像，比例尺：100 µm。(B) 第 7 天 ALP 活性的定量分析。(C) 第 14 天 ARS 吸光度 (562 nm) 的定量。(D) 第 7 天 ALP 的免疫荧光图像；红色：ALP，蓝色：DAPI，比例尺：30 µm。(E) ALP 免疫荧光强度的定量。(F) 第 7 天 ALP mRNA 的表达水平。(G) 第 7 天 ALP 蛋白的 Western blot 条带。(H) 归一化至 GAPDH 的 ALP 蛋白条带强度的定量分析。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001。

图 7 GM@HAP@BA 在体外促进线粒体自噬。BMSCs 被分为 Blank（空白）组、Control（对照）组、GM@HAP@BA 组和 GM@HAP@BA + Mdivi-1（自噬抑制剂）组。(A) 细胞内 ROS 的 DCFH-DA 染色，比例尺：50 µm。(B) 评价线粒体膜电位的 JC-1 染色；红色：JC-1 聚合体（代表高膜电位），绿色：JC-1 单体（代表低膜电位），比例尺：50 µm。(C) 透射电子显微镜 (TEM) 图像显示线粒体的超微结构，比例尺：1 µm。(D) 线粒体自噬相关蛋白 (PINK1, Parkin, LC3B, P62) 和成骨蛋白 ALP 的 Western blot 分析。(E) DCFH-DA 荧光强度的定量。(F) JC-1 红/绿荧光强度比值的定量。(G–K) PINK1、Parkin、LC3B II/I、P62 和 ALP 蛋白条带的密度分析。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001。

图 8 GM@HAP@BA 水凝胶微球促进糖尿病小鼠骨折模型骨修复的验证。在建模后第二天将水凝胶微球注射到骨折部位，并在 2 周和 4 周时进行分析。(A) 各组小鼠股骨骨折的 X 射线图像。(B) 显示骨折愈合情况的 3D micro-CT 重建图。(C-F) Micro-CT 定量分析，包括骨体积分数 (BV/TV, C)、骨矿物质密度 (BMD, D)、小梁厚度 (Tb. Th, E) 和小梁分离度 (Tb.Sp, F)。(G) 用于评估新骨形成和组织结构的 H&E 染色，比例尺：500 µm。(H) 用于评估胶原沉积和骨组织重塑的 Masson 染色，比例尺：500 µm。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001。

图 9 GM@HAP@BA 水凝胶微球在糖尿病骨折模型中促进线粒体自噬、成骨和血管生成的验证。(A) LC3B 的免疫荧光染色以评估骨折部位的线粒体自噬水平；绿色：LC3B，蓝色：DAPI，比例尺：500 µm。(B) RUNX2 的免疫荧光染色以评估骨折区域成骨转录因子的表达；红色：RUNX2，蓝色：DAPI，比例尺：500 µm。(C) VEGF 的免疫荧光染色以评估血管生成相关蛋白的表达；红色：VEGF，蓝色：DAPI，比例尺：500 µm。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apmt.2026.103134

(本文仅供参考学习及传递微流控研究成果，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除)