在医学领域，骨缺损问题一直是困扰医患双方的棘手难题，其通常由外伤冲击、肿瘤切除手术或是骨感染等诸多因素所引发，给患者的日常生活带来了极为严重的负面影响，极大地降低了患者的生活质量。就现阶段而言，临床在应对骨缺损时，主要采取的手段是通过手术途径，将自体骨、异体骨或是人工骨植入到缺损部位，以期实现修复目的。然而，遗憾的是，这些传统治疗方法各自存在着难以忽视的局限性。举例来说，自体骨虽然源于患者自身，具有较好的生物相容性，但它的数量相当有限，往往仅适用于小型的骨缺损修复场景，并且手术过程中还极易引发诸如出血、感染等并发症；同种异体骨虽在一定程度上能解决骨源问题，可随之而来的是强烈的排斥反应风险，这不仅会影响治疗效果，还可能给患者身体带来额外的负担，而且其昂贵的价格也让不少患者望而却步；至于人工骨，尽管能够批量生产满足部分需求，但其生物活性普遍偏低，使得术后恢复进程异常缓慢，患者需要长时间忍受病痛折磨。
近期青岛大学神经再生与康复研究院的吴桐教授团队携手青岛大学附属医院骨科的于腾波副主任团队，创新性地开展了一项前沿研究。他们巧妙运用静电纺丝和电喷雾两项高新技术，将无机的生物活性玻璃（BG）与有机的聚己内酯（PCL）进行了有机融合，成功构建出三维（3D）的 BG/ PCL 微纤维球，为大块骨缺损的修复带来了全新的曙光。这种复合纤维微球所具备的独特 3D 结构，高度模拟了天然骨组织的组成成分与精细结构，仿若为骨再生搭建了一个理想的 “脚手架”。尤为值得关注的是，当在其上负载骨髓间充质干细胞后，奇迹发生了：它宛如一位神奇的 “生命工匠”，能够精准且有效地诱导血管生成，如同在缺损部位开辟出一条条 “生命通道”，同时促使骨相关蛋白的表达大幅上调，全方位激活骨再生机制，进而切实有力地推动缺损部位的骨组织重新生长，焕发出勃勃生机（详见示意图 1）。
研究者率先开启实验进程，精心制备出负载生物活性玻璃（BG）的取向聚己内酯（PCL）纤维，在此过程中，BG 于纤维内部实现了均匀且稳定的分布状态。紧接着，将这些纤维切割成短纤维段，并均匀分散于明胶溶液里，借助先进的静电纺丝技术，成功构建出 BP 微纤维球。经观察发现，其表面呈现出多孔且略显粗糙的独特结构，这种结构特性无疑为细胞的粘附与生长创造了极为有利的条件。进一步的测量数据显示，BP 微纤维球的直径处于 1 至 5 mm 这一区间范围之内，尤为值得注意的是，随着施加电压逐步升高，微纤维球的直径会相应地减小；而在整个制备流程中，BG 的含量高低几乎不对纤维直径产生任何实质性的影响（详情见图 1）。
Fig. 1 Characterization of diferent fbers and BP microfbrous spheres. a, b SEM images of fbers with 0%, 1%, 2%, and 3% BG at a ×1000 or b ×3000 feld of view. c, d SEM images of the BP microfbrous spheres containing 2% BG. e Photographs of BP microfbrous spheres of diferent sizes. f Histogram of the size distribution of BG particles in diferent BP fbers. g Histogram of the size distribution of pure PCL and diferent BP fbers.
随后，研究者采用细胞活死染色的方法，针对微纤维球展开生物相容性检测。在细胞分别培养3 天以及 7 天后所获取的结果清晰表明，所有参与实验的材料组别，无一例外地都展现出了良好的生物相容性（具体情况可参照图 2）。
Fig. 2 Biocompatibility assessment of the BP microfbrous spheres. a Live/dead staining micrographs and b cell survival rates after culturing BMSCs on the diferent BP microfbrous spheres for 3 and 7 days. “ns” indicates no signifcant diference between the groups
为了更深入地评价微纤维球对骨髓间充质干细胞（BMSC）成骨分化性能的促进作用，研究者进行了相关实验。首先，碱性磷酸酶（ALP）染色结果表明，在各实验组别中，2% BG 组中的 BMSCs 展现出了更为显著的成骨分化能力。接着，通过 RT-qPCR 技术对成骨相关基因，即 ALP、OPN 和 RUNX2 的表达情况进行评估，结果发现 2% BP 微纤维球在促成骨效果方面表现最为突出（具体数据可参照图 3） 。
Fig. 3 The osteogenic diferentiation capability of BMSCs on different BP fbers and microfbrous spheres. a ALP staining micrographs and b quantitative analysis of ALP activity after culturing BMSCs on diferent fbers for 7 and 21 days. c, d Gene expression of ALP, RUNX2, and OPN after culturing BMSCs on diferent BP microfbrous spheres for c 7 and d 14 days. “ns” indicates no significant diference between the groups. *P<0.05, ** P<0.01, and *** P<0.001 indicate that the diferences between the compared groups are statistically signifcant
接下来，研究者将2% BP 微纤维球应用于大鼠股骨缺损修复实验中。此次动物实验共设置了假手术组、对照组、GelMA 组、GelMA - B 组、GelMA - M 组和 GelMA - MB 组，分别在术后 4 周和 8 周进行取材观察。Micro - CT 检测结果表明，术后 4 周时，除假手术组和 GelMA - MB 组外，其余各组的股骨外髁均出现了骨折情况。而且，除 GelMA - MB 组外，其他组的 BV/TV 值都未超过 25%。到了术后 8 周，对照组、GelMA 组和 GelMA - B 组的外髁部位依然能观察到骨折现象。经分析，这些骨折现象很可能是由于术后膝关节未进行固定所致。
值得注意的是，实验中所使用的填充材料本身可提供一定的机械支撑，而BMSC 的加入更是进一步增强了 BP 微纤维球的机械强度，所以 GelMA - MB 组未出现断裂情况。综合实验结果可以看出，GelMA、BMSC 和 BP 微纤维球均展现出了促进骨缺损修复的潜力。其中，BP 微纤维球在增强缺损部位机械强度方面的效果最为显著，同时还为 BMSC 的成骨分化营造了良好的环境（具体情况见图 4）。
Fig. 4 a Micro-CT micrographs showing the osteogenic capacity of the diferent groups using rat femoral condyle defect models at weeks 4 and 8 post-surgery. b BV/TV values of each group at weeks 4 and 8. * P<0.05, ** P<0.01, and *** P<0.001 indicate signifcant diferences between comparison groups
为深入探究微纤维球在体内对骨形成所产生的影响，研究者运用H&E 以及 Masson 三色染色技术，针对标本切片展开了精细的组织学分析。术后 4 周的分析结果显示，对照组于缺损区域仅仅形成了单层的纤维组织，结构相对单一。与之形成鲜明对比的是，GelMA 组呈现出更为丰富的新生纤维状组织，展现出一定的组织修复活力。在 GelMA - B 组中，研究者观测到了少量新生的毛细血管，这一发现意味着该组材料具备了一定程度促进新骨形成的能力，为骨修复带来了新的希望。尤为突出的是，GelMA - MB 组中的新生毛细血管数量出现了显著的增长，据推测，这极有可能是由于骨髓间充质干细胞（BMSC）的引入大大加速了新血管生成的进程，为骨形成提供了更为充足的营养支持。
当时间推进到术后8 周，再次通过 H&E 和 Masson 三色染色观察发现，对照组、GelMA 组以及 GelMA - B 组依旧存在颇为明显的缺损区域，表明其骨修复进程相对缓慢。但值得欣喜的是，在所有参与实验的组别中，缺损区域均已出现了一定数量的新生血管，为后续的骨修复奠定了基础。其中，GelMA - MB 组的新生血管数量独占鳌头，最为可观。不仅如此，该组中的新生骨结构与正常骨相比较，相似程度更佳，无论是骨小梁的排列还是骨质的密度，都更趋近于正常骨组织，充分彰显了其在促进骨形成方面的卓越效能（详情见图 5）。
Fig. 5 a H&E and b Masson’s trichrome staining micrographs showing the osteogenic capacity of the diferent groups using rat femoral condyle defect models at weeks 4 and 8 post-surgery
最后，为了从分子层面深入剖析骨形成与血管生成的内在机制，研究者采用免疫组化染色技术，着重对RUNX2、CD31 和 OCN 蛋白的表达情况进行了精准检测。检测结果令人瞩目，在众多实验组别之中，GelMA - MB 组内 RUNX2、CD31 和 OCN 这三种关键蛋白的表达水平脱颖而出，表现得最为显著。这一发现意义深远，强有力地表明了微纤维球与骨髓间充质干细胞（BMSC）相互融合的策略成效斐然，它能够高效刺激血管生成，同时为骨形成创造优越条件，二者协同发力，如同为骨缺损的修复按下了 “加速键”，能够共同推动骨缺损实现快速愈合（具体数据可详见图 6、7）。
Fig. 6 IHC staining micrographs showing the osteogenic capacity of the diferent groups using rat femoral condyle defect models at weeks 4 and 8 post-surgery: a RUNX2, b CD31, c OCN
Fig. 7 Quantitative analysis of a RUNX2-, b CD31-, and c OCNpositive regions using the IHC staining micrographs in Fig. 6. “ns” indicates no signifcant diference between the groups. **P<0.01 and ***P<0.001 indicate that the diferences between the compared groups are statistically signifcant
本文要点：
综上所述，研究者凭借静电纺丝与电喷雾两项前沿技术，匠心独运地成功开发出一种极具创新性的BP 微纤维球。这种微纤维球优势显著，一方面，它具备极为良好的生物相容性，其独特的表面结构呈现出多孔粗糙的形态，为细胞的粘附提供了理想的 “栖息之所”，使得细胞能够紧密附着、茁壮成长；另一方面，它还展现出了卓越的增强成骨细胞基因表达的能力，为骨组织的再生与修复筑牢根基。不仅如此，在体外实验环境下，BP 微纤维球更是大放异彩，表现出强劲的血管生成能力以及高效的矿化能力，宛如一台精密的 “造骨引擎”，源源不断地为骨形成输送动力。尤为关键的是，当将负载骨髓间充质干细胞（BMSC）的 BP 微纤维球植入到大鼠股骨缺损部位后，它在体内同样展现出令人惊叹的良好血管生成和骨修复功效，仿佛一位 “骨科圣手”，精准且高效地修复缺损部位，为临床上攻克骨缺损难题开辟了全新的途径，带来了新的曙光。
论文信息：Chen, R., Wang, Y., Yu, C.et al. Bioactive Glass-Reinforced Hybrid Microfibrous Spheres Promote Bone Defect Repair via Stem Cell Delivery. Adv Fiber Mater 2024.
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