本文转自【Gel Hub】公众号吕梁铁皮保温施工队

种多模态活氧逻辑门控疗平台破朽迈恶轮回以促进老年骨缺损诞生

总瞰条理（综述与时候阶梯图）⬇︎

为打法老年骨缺损诞生历程中由感染、过量活氧、慢症、线粒体冗忙与干细胞朽迈共同运转的朽迈微环境恶轮回这枢纽科知识题，上交大六附病院Xin Sun团队联上交大九附病院Jinwu Wang团队、华东理工大学Jie Wei团队及青岛大学Deteng Zhang团队，提议了种多模态活氧逻辑门控疗平台。该掂量以Mg/Mn共掺杂且富含氧空位的氧化铋纳米颗粒（MMBOx）与雷帕霉素协同构建3D印GelMA-PBA/PVA复水凝胶支架，在感染期通过酸微环境响应的POD样/OXD样酶活与近红外增强声能源应已毕按需产生存氧并菌，在诞生期则借助材料本征CAT样/SOD样活、苯硼酸酯化学和雷帕霉素诱自噬已毕活氧拆除、线粒体质地摈弃归附与细胞年青化。材料异的抗菌、抗氧化和抗朽迈能主要归因于Mg/Mn双掺杂激勉的晶格畸变、氧空位增多、带隙收窄、多价锰轮回以及双麇集水凝胶的ROS响应降解与执续释药盘算推算；其跳跃阐扬出的谷胱甘肽代谢增强、Keap1-Nrf2信号通路激活、成骨分化归赞叹老年颅骨缺损再生促进，则源于纳米酶活、自噬增强和朽迈微环境重编程的协同作用。由于上述细腻的结构—耦，该掂量不仅拓展了感染老年骨缺损诞生的疗计策，也为朽迈组织工程材料的步伐化氧化调控提供了新范式，具有向骨再生、植入感染摈弃和朽迈联系组织诞生等向延展的潜在应用。联系论文以“A multimodal ROS logic-gated therapeutic platform disrupts the vicious cycle of senescence to promote aged bone defect repair”为题，发表在Bioactive Materials上。时候阶梯图（部分）如下：

、处治的科知识题

图1 汉文图注：用于逆转感染并发老年骨缺损的 ROS 逻辑门控疗平台默示图。（A）与朽迈联系的细菌感染、氧化应激、线粒体冗忙和细胞朽迈会损害骨。将多 MMBOx 纳米颗粒和 Rapa 掺入 GelMA-PBA/PVA 生物墨水中，跳跃构建 3D 印疗平台，用于老年大鼠骨缺损诞生。（B）该平台可在骨缺损中已毕序贯疗，包括：（i）NIR 和声激活的 MMBOx 诱抗菌应；（ii）MMBOx 与复水凝胶介 ROS 拆除；（iii）执续开释的 Rapa 增强自噬，促进线粒体质地摈弃；（iv）总体而言，该平台可使朽迈 BMSCs 年青化，归附成骨分化，并促进老年骨缺损诞生。

图2

图2 汉文图注：BOx 和 MMBOx 的结构特征及催化机制。（A1、B1）BOx 和 MMBOx 纳米颗粒的 TEM 图像（比例尺：50 nm）；（A2-3、B2-3）表露晶格残障的 HRTEM 图像（A2 和 B2 的比例尺为 5 nm，A3 和 B3 的比例尺为 1 nm）；（A4、B4）O、Bi、Mn 和 Mg 的 HAADF-STEM 元素分散图（比例尺：40 nm）。（C）BOx 和 MMBOx 的 XRD 谱图。（D）MMBOx 的分辨 Mn 2p 谱图。（E）BOx 和 MMBOx 的 EPR 谱图。（F、G）不同处理条件下 ⋅OH 和 ⋅O2− 的 ESR 谱图。（H）由 紫外-可见 光谱得到的带隙图。（I、J）由 VB-XPS 得到的价带谱图。（K、L）BOx 和 MMBOx 的蝴蝶回线。（M、N）BOx 和 MMBOx 的 EIS 弧线与 i-t 弧线。（O）催化机制默示图。

图3

图3 汉文图注：多酶活及 ROS 响应平台构建。（A）pH = 5.5 条件下的 OXD 样酶活。（B）不同 pH 条件下 MMBOx 的 OXD 样酶活。（C）pH = 5.5 条件下的 POD 样酶活。（D）不同 pH 条件下 MMBOx 的 POD 样酶活。（E）pH = 7.4 条件下的 CAT 样酶活。（F）MMBOx 在 5 个轮回中的 CAT 样酶活。（G）MMBOx 的 Km 和 Vmax。（H）不同 pH 条件下 MMBOx 的 CAT 样酶活。（I）pH = 7.4 条件下不同浓度条件下的 SOD 样酶活。（J）MMBOx 在 5 个轮回中的 SOD 样酶活。（K）接受 EST-8 法测得的 MMBOx 的 Michaelis-Menten 弧线。（L）pH = 7.4 条件下的 DPPH 拆除弧线。（M）不同环境中 MMBOx 激活酶活的机制默示图。（N）GelMA-PBA 成及双麇集水凝胶造成默示图。（O）掺入 BOx 和 MMBOx 的 3D 印支架像片（比例尺：2 mm）。（P）不同组别的储能模量（G′）和损耗模量（G″）。（Q）水凝胶的应力-应变弧线。（R）水凝胶的溶胀能源学。（S）不同组别的 H2O2 拆除率。

图4

图4 汉文图注：疗平台的体外与体内抗菌果。（A）不同处理后体外 S. aureus 菌落像片（比例尺：30 mm）。（B）S. aureus 生物膜的结晶紫染图像（比例尺：3 mm）。（C-D）S. aureus 菌落（C）和生物膜染（D）的定量分析（n = 3）。（E）S. aureus 生物膜代表的活/死染图像（比例尺：400 μm）。（F）S. aureus 代表刻画的 SEM 图像（比例尺：2 μm）。（G）疗平台体内抗菌历程默示图。（H）感染创面经不同组别制剂联外部刺激处理后取得的 S. aureus 菌落图像（比例尺：30 mm）。（I）感染创面历程像片及相应创面面积默示图（比例尺：5 mm）。（J）不同处理组大鼠随时分变化的创面闭率（n = 3）。（K）处理后 9 天创面组织代表的 H&E 和 Masson 三染效果（比例尺：上排 2 mm，中排 500 μm，下排 500 μm）。（L）声-光热增强抗菌机制默示图。数据以 均值±范例差 透露；*P < 0.05，***P < 0.001。

图5

图5 汉文图注：疗平台在体外的细胞内抗氧化能力及自噬调控作用。（A）DCFH-DA 和 DHE 染后的细胞内 ROS 与氧阴离子荧光图像（比例尺：50 μm）。（B-C）DCFH-DA（B）和 DHE（C）荧光强度的定量分析（n = 3）。（D-E）流式细胞术检测的 DCFH-DA（D）和 DHE（E）平均荧光强度。（F-G）流式细胞术中 DCFH-DA（F）和 DHE（G）荧光效果的相应定量分析（n = 3）。（H）BMSCs 的代表 JC-1 染流式图。（I）反应线粒体膜电位的 JC-1 蚁合体/单体荧光比值定量分析（n = 3）。（J）BMSCs 中 LC3 I/II、磷酸化 mTOR（p-mTOR）和 mTOR 卵白抒发的卵白质踪迹分析。（K-L）LC3I/II（K）和 p-mTOR/mTOR（L）卵白水平的灰度定量分析（n = 3）。数据以 均值±范例差 透露；*P < 0.05，P < 0.01，*P < 0.001。

图6

图6 汉文图注：水凝胶平台对 BMSCs 的抗朽迈作用。（A）默示图展示朽迈 BMSCs 与年青化 BMSCs 的典型各异。（B）不同处理后朽迈联系基因（p16、p21、p53）的 qRT-PCR 分析（n = 3）。（C）朽迈 BMSCs 中 p16、p21 和 p53 卵白抒发的卵白质踪迹分析。（D）卵白抒发的相应定量分析（n = 3）。（E）BMSCs 中 p53 染的代表疫荧光图像（比例尺：90 μm）。（F）p53 荧光强度的定量分析（n = 3）。（G）流式细胞术取得的代表细胞周期分散图。（H）S 期细胞比例的统计分析（n = 3）。（I）朽迈 BMSCs 代表的 SA-β-gal 染图像（比例尺：200 μm）。（J）SA-β-gal 阳细胞的定量分析（n = 3）。（K）BMSCs 中 SASP 联系基因（Ccl2、Mmp2、Il-6、Tnf-α）的 qRT-PCR 分析（n = 3）。数据以 均值±范例差 透露；*P < 0.05，P < 0.01，*P < 0.001。

图7

图7 汉文图注：疗平台在体外增强朽迈 BMSCs 成骨潜能。（A） 7 天代表的 ALP 染图像（比例尺：上排 10 mm，下排 200 μm）。（B）ALP 活的定量分析（n = 3）。（C） 21 天代表的 ARS 染图像（比例尺：上排 5 mm，下排 200 μm）。（D）通过 ARS 染对矿化基质造成的定量分析（n = 3）。（E-H）BMSCs 中成骨标记物（Alp、Osx、Runx2 和 Opn）的 qRT-PCR 分析（n = 3）。（I）RUNX2 染的代表疫荧光图像（比例尺：50 μm）。（J）RUNX2 荧光强度的定量分析（n = 3）。（K）OPN 染的代表疫荧光图像（比例尺：50 μm）。（L）OPN 荧光强度的定量分析（n = 3）。数据以 均值±范例差 透露；*P < 0.05，P < 0.01，*P < 0.001。

图8

图8 汉文图注：MMBOx 介 BMSCs 年青化潜在通路的转录组学与分子机制分析。（A）环形热图表露，与 GPP 比拟，MMBOx@GPP 处理的朽迈 BMSCs 中与细胞朽迈、症和成骨联系的各异抒发基因（DEGs）。（B）上调 DEGs 的 GO 富集分析。（C）上调 DEGs 的 KEGG 通路富集分析。（D）谷胱甘肽代谢历程的 GSEA 图（ES：富集得分；NES：范例化富集得分；FDR：假发现率）。（E）朽迈联系 GO 条件中富集 DEGs 的热图。（F）BMSCs 中 Keap1、Nrf2、Nqo1、Gclc 和 GAPDH 卵白抒发的卵白质踪迹分析。（G）卵白条带强度的定量分析（n = 3）。（H）ThiolTracker™ 荧光染的代表流式图，表征细胞内谷胱甘肽水平。（I）BMSCs 中细胞内 GSH/GSSG 比值的定量分析（n = 3）。（J）机制默示图说明 MMBOx 通过激活 Nrf2 通路并增强谷胱甘肽代谢来松开 BMSCs 朽迈。数据以 均值±范例差 透露；*P < 0.05，***P < 0.001。

图9

图9 汉文图注：疗平台用于老年骨缺损诞生的体内评价。（A）不同组别颅骨缺损区域代表的 3D 重建 micro-CT 图像（比例尺：2 mm）。（B-C）基于 micro-CT 分析的骨体积分数（BV/TV）和骨矿物资密度（BMD）定量效果（n = 5）。（D-E）H&E 染（D）和 Masson 三染（E）的代表组织学图像。低倍图（比例尺：500 μm）表露举座缺损区域，倍图（比例尺：100 μm）隆起表露新骨（蓝框）及缺损-宿主骨界面（红框）。绿箭头透露缺损边界；FT：纤维组织；NB：重生骨；HB：宿主骨。（F-G）缺损区域 RUNX2 抒发的疫荧光图像及定量分析（比例尺：50 μm，n = 3）。（H-I）缺损区域 OCN 抒发的疫荧光图像及定量分析（比例尺：50 μm，n = 3）。（J）步伐化 ROS 双向调控计策默示图，用于老年骨缺损的感染摈弃与诞生，展示了用于抗菌作用的声光动态 ROS 生成，以及随后通过抗氧化调控使朽迈 BMSCs 年青化并促进老年骨再生。数据以 均值±范例差 透露；*P < 0.05，P < 0.01，*P < 0.001。

二、蜕变点

提议了多模态活氧逻辑门控疗平台这蜕变点。该平台并非单纯增强或拆除活氧，而是根据感染期与诞生期微环境各异，步伐化已毕活氧双向调控，次在同老年骨缺损体系中将抗菌、抗氧化、抗朽迈和促成骨进行时序整。

蜕变地接受Mg/Mn双掺杂与氧空位工程协同调控氧化铋纳米颗粒结构，已毕了兼具POD样、OXD样、CAT样和SOD样多酶模拟活的纳米平台，并通过近红外增强声能源应权贵晋升感染期活氧生成率，为非抗生素抗菌疗提供了新的材料盘算推算想路。

蜕变地将雷帕霉素装载进ROS响应型GelMA-PBA/PVA双麇集水凝胶中，已毕执续释药与朽迈细胞自噬激活；该盘算推算使材料在感染得到摈弃后跳跃拆除受损线粒体、归附线粒体膜电位并缓解细胞周期辞谢，构建了“纳米酶抗氧化—药物诱自噬”协同抗朽迈机制。

提议了以Keap1-Nrf2信号通路激活和谷胱甘肽代谢增强为中枢的年青化机制。著作通过RNA-seq、卵白抒发与GSH耗竭考证，系统讲明MMBOx可晋升GSH成、轮回与诓骗水平，从而增强细胞耐受氧化应激的能力，管道保温施工为朽迈骨诞生材料中靶向GSH代谢提供了新笔据。

蜕变地在老年大鼠颅骨缺损模子中考证了该平台的升沉后劲，阐发其不仅局部SASP分泌、松开DNA挫伤和慢症，还权贵晋升BV/TV、BMD、重生骨造成和管生成水平，已毕了老年骨缺损诞生这应用场景的关键冲破。

三、成计策

材料原料主要包括NaBiO₃、NaOH、MgCl₂、MnCl₂·H₂O、GelMA、4-羧基苯硼酸、PVA、LAP、雷帕霉素等。

成计策上，掂量先通过水热法制备Mg/Mn共掺杂且富含氧空位的MMBOx纳米颗粒，再通过声分散与离心分取得小尺寸颗粒；随后以DMTMM促进4-羧基苯硼酸接枝GelMA制得GelMA-PBA，并与PVA造成预交联动态麇集，在引入MMBOx与雷帕霉素后经3D印和405 nm光固化，构建复双麇集疗支架。

成机理枢纽词可轮廓为：离子掺杂、氧空位工程、晶格畸变、价态轮回、苯硼酸酯动态交联、双麇集构筑、ROS响应降解、执续释药与3D印成形。

材料能势集合体刻下酸环境下抗菌、诞生阶段抗氧化稳态重建、朽迈BMSCs年青化、成骨分化归附、细腻生物相容以及老年骨缺损再生促进等面。

应用域简写可轮廓为骨组织工程（BTE）、感染摈弃、老年再生医学与3D印生物制造。

四、主要能与结构盘算推算归因

著作中枢的能阐扬是感染微环境中的菌与生物膜拆除，以及诞生阶段对过量活氧的有拆除。体外效果表露，在H₂O₂、US与NIR协同条件下，MMBOx@GPP对S. aureus和E. coli的存活率降至低水平，并权贵龙套细菌生物膜；而在朽迈BMSCs中，MMBOx/Rapa@GPP则权贵缩小DCFH-DA和DHE荧光强度，归附线粒体膜电位并扼制朽迈标记物抒发。

这些能的撑执机制先来自MMBOx的结构电子学势：Mg/Mn共掺杂诱氧空位浓度和强晶格化，使材料带隙缩小、压电悉数提并促进电子—空穴分离；多价锰轮回与氧空位又共同赋予其POD样、OXD样、CAT样与SOD样多酶模拟活，因此在酸环境下偏向ROS生成、在中诞生环境下偏向ROS拆除，造成明确的氧化逻辑门控。

结构与原料盘算推算跳跃放大了上述能。MMBOx在声作用下阐扬出异的压电声能源特，近红外光热升温又可增强声能源历程中的载流子搬动，从而晋升·OH和·O₂⁻生成率；与此同期，GelMA-PBA/PVA双麇集水凝胶中的苯硼酸酯键赋予材料ROS响应，既保证支架的可印与力学完好，也使其大要在氧化应激环境下参与H₂O₂拆除。

次要但相似枢纽的能包括执续释药、自噬激活、SASP扼制、细胞周期归附、促管生成与恒久体内生物安全。MMBOx/Rapa@GPP可执续开释雷帕霉素21天，权贵缩小LC3 I/II和p-mTOR联系很是抒发，松开p16、p21、p53、TNF-α、IL-6、MMP2等朽迈与症场所，并在体内提CD31和α-SMA抒发以及CD163/CD68比值。

上述次要能的机理撑执来自“机纳米酶+药物自噬调控+微环境响应水凝胶”的多耦：MMBOx先通过CAT样/SOD样活和Nrf2通路激活晋升GSH代谢与抗氧化能力，随后雷帕霉素促进受损线粒体拆除与自噬流看守，两者协同归附朽迈细胞的氧化稳态与再生潜能。

五、材料应用场景与能阐扬

从综特看，该材料平台同期具备可印支架属、感染期声/光协同抗菌能力、诞生期氧化稳态调控能力、执续释药能力和老年干细胞年青化能力，体现出结构工程、纳米酶催化、自噬调控与组织工程支架的体化势。

其典型应用向是感染并发的老年骨缺损诞生，尤其适用于陪同执续症、细胞朽迈积聚和局部细菌感染的复杂骨再生场景；同期，该计策也可推广至植入体联系感染摈弃、老年骨再生支架、慢创面诞生以相配他朽迈组织工程体系。

具体阐扬场所面，在老年大鼠颅骨缺损模子中，MMBOx/Rapa@GPP组于12周时取得骨再收效果，BV/TV与BMD离别较对照组晋升12.6倍和4.0倍；体外成骨施行中ALP和ARS染显着增强，Runx2、Opn、Osx、Alp等成骨联系基因权贵上调；在体内感染创面模子中，该平台已毕约90的菌负荷下落，并加快创面闭与胶原千里积。

六、掂量兴味与潜在应用

本掂量的中枢孝顺在于提议了种面向老年感染骨缺损的步伐化疗材料体系，将抗菌、抗氧化和抗朽迈三个频频分离的问题统到同逻辑门控平台中，并通过纳米酶活、自噬调控与GSH代谢增强已毕朽迈微环境的系统重编程。

从科学兴味上看，该职责化了东谈主们对“感染—氧化应激—细胞朽迈”恶轮回的材料搅扰相识，讲明了可时序切换的氧化调控计策在老年组织再生中的特价值；从工程兴味上看，其3D印、执续释药和影像可视化后劲使该平台具备跳跃向个体化骨诞生支架和可监测疗植入物发展的可能。

潜在拓展应用域包括骨感染疗、植入联系感染控、骨质疏松联系缺损诞生、慢难创面、软硬组织界面再生、朽迈干细胞年青化疗以相配他需要动态氧化调控的再生医学场景。

七、全文枢纽词

凝胶种类：双麇集水凝胶·纳米复水凝胶·3D印水凝胶·ROS响应水凝胶

机理：离子掺杂·氧空位工程·纳米酶催化·压电声能源·光热增强·苯硼酸酯动态交联·自噬激活·谷胱甘肽代谢·Keap1-Nrf2通路

能：抗菌·抗生物膜·抗氧化·抗朽迈·执续释药·细腻生物相容·促成骨·促管生成·氧化稳态重建

应用：老年骨缺损诞生·感染摈弃·骨组织工程·植入联系感染疗·3D印支架·再生医学

八、作家与单元

通信作家：Deteng Zhang；Jinwu Wang；Jie Wei；Xin Sun

掂量单元（汉文）：青岛大学青岛医学院神经再生与神经康复掂量所、乌拉圭生物纳米药物联施行室；上交大九附病院骨科植入物上海市施行室、骨科；华东理工大学材料科学与工程学院、分子材料上海市施行室；上交大六附病院骨科

发表时分：2026年2月27日

期刊：Bioactive Materials

DOI：10.1016/j.bioactmat.2026.02.002

END

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