为解决临界尺寸骨缺损难题，科研人员已开发出多种生物材料。但现有技术多聚焦于膜内骨化（IMO）而非软骨内骨化（ECO），往往导致治疗效果不尽如人意。本研究从温室生态系统的功能特性中获得启发，创新构建仿生微环境以模拟ECO过程。该微环境包含三个层级结构：促进细胞渗透与物质交换的嵌入式微通道网络、具有免疫调节功能的聚多巴胺表面修饰层，以及基于介孔二氧化硅纳米颗粒的ECO靶向递送系统。通过时空调控微环境，仿生微环境成功复现了ECO的关键阶段。值得注意的是，即便在IMO高发区域——大鼠颅骨，该仿生微环境仍能启动ECO进程，通过软骨模板形成实现高效骨再生。综合来看，本研究为设计新一代ECO驱动型骨组织工程生物材料提供了前瞻性思路。

图1.通过温室启发的仿生微环境时空编程技术，成功复现了生态骨形成（ECO）的完整过程。A)该仿生微环境的设计灵感源自温室生态系统功能，包含三个层级结构。B)相较于传统ECO中使用的天然聚合物和合成聚合物等有限生物材料，本研究采用缩合合成聚合物构建的仿生微环境展现出更优异的理化性能和骨再生效果。具体指标包括：成骨效率（骨体积与总体积比BV/TV）、骨成熟度（骨密度BMD）及压缩模量。C)该仿生微环境通过时空调控机制，模拟自然骨愈合的四个典型阶段(CH：软骨细胞；OB：成骨细胞），从而实现ECO驱动的骨再生

上图为西西智研制作

图2.ECO靶向MSN-HNDA递送系统的制备与表征

图3.仿生微环境的制备与表征

图4.仿生微环境的生物相容性与细胞反应

图5.仿生微环境通过多重生物学功能在体外模拟ECO过程

图6.仿生微环境促进ECO驱动的体内骨再生

图7.仿生生态位介导的骨再生的分子机制

图8.仿生学说促进颅骨缺损区软骨形成

受温室生态系统天然高效运作的启发——这种系统以培育理想植物生长环境著称，开发了一种尖端仿生微环境，通过调控细胞活动来模拟生态骨修复（ECO）过程，从而促进骨骼再生。该仿生微环境采用类细胞外基质（ECM）纳米纤维微结构，构建了相互连通的微通道网络，其设计类似于温室中的“带灌溉系统的土壤”，能有效支持血管内生并确保必需营养物质与代谢物的高效运输。经过聚二甲基硅氧烷（PDA）修饰的微环境优化了早期免疫微环境，类似“pH修饰土壤”，从而营造出修复性微环境，吸引大量间充质干细胞（MSCs）参与ECO启动。封装的ECO靶向介孔二氧化硅纳米颗粒/羟基磷灰石复合材料（MSNsHNDA）递送系统作为智能控制系统，通过合理调控DMOG、钙离子和磷酸根离子等生物活性剂的释放，加速ECO进程。DMOG可生成假缺氧微环境，激活缺氧诱导因子1α（HIF-1𝛼）和磷酸肌醇3-激酶-Akt（PI3K-AKT）等关键信号通路，最终增强ECO效果，促进高效骨修复。在后续研究中，将进一步优化仿生微环境的制备工艺，提升其多维度理化特性，攻克规模化生产、长期性能及个体化适应性等技术难题，致力于实现其在临床场景中的有效应用。本研究通过温室启发式仿生微环境，开创了时空调控骨微环境的创新策略，推动ECO驱动生物材料在骨肿瘤治疗中的应用，展现出广阔临床前景。

本文内容来自期刊Adv. Mater. 2025年发表, 第37卷, 文章编号为2504057，以Spatiotemporally Programming Microenvironment to Recapitulate Endochondral Ossification via Greenhouse-Inspired Bionic Niche为题的文章。原文链接：

 https://doi.org/10.1002/adma.202504057

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