临界大小的骨缺损的再生，尤其是那些形状不规则的骨缺损，仍然是一个临床挑战。目前，已经开发了各种生物材料来增强骨再生，但形状适应能力的限制、临床操作的复杂性以及较低的成骨生物活性极大地限制了它们的临床应用。开发一种结构稳定且形状记忆的多孔支架来适应不规则形状的骨缺损、实现微创治疗是目前共有的挑战。 

丝素蛋白（SF） 来源于蚕茧，是一种天然蛋白质生物材料，具有易获得、生物相容性好、生物降解可控和机械性能优异等优点，使其以水凝胶和支架的形式广泛应用于组织再生、药物输送和医疗植入物领域。然而，传统的 SF 材料不具有形状记忆效应，其结构在外力作用下永久受损，导致植入后与骨缺损的整合拟合不良。同时，植入式形状记忆 SF 材料还必须足够坚韧和抗疲劳，并表现出足够强的恢复力，以便在狭窄空间内膨胀。

 镁（Mg） 是骨骼健康和疾病所必需的元素，因为它参与骨组织形成、骨骼代谢和骨矿物质结晶的生理过程。镁可以调节细胞功能，包括增殖、粘附和迁移，并促进新生血管形成。然而，Mg 及其合金在体内的快速降解和随后的氢释放是研究人员面临的一个紧迫问题。相比之下，氧化镁（MgO） 是 Mg 的一种氧化物，在体内既不会迅速降解，也不会产生氢气，因此可以用作 Mg2+ 的来源。 

北京大学郑玉峰教授团队联合北京大学深圳医院于滨生教授团队、首都医科大学附属北京积水潭医院舒雄副研究员团队，将 MgO颗粒引入形状记忆 SF 支架中，建了一种丝素蛋白/镁 （SF/MgO） 复合支架，以调节其骨诱导功能并保持其形状记忆能力，由于 SF 带负电而 MgO 颗粒带正电，它们之间会发生静电相互作用，这进一步促进了 SF 系统中多种交联结构的形成。通过简单的修整快速匹配不规则缺陷，可以实现良好的界面集成。支架的特性包括出色的机械稳定性和结构保持性、出色的生物性能和水响应形状记忆效应，使其能够与周围组织紧密接触。植入 SF/MgO 支架后，Mg2+随着 MgO 颗粒的降解缓慢释放，调节迁移细胞的功能，促进相关成骨基因的表达，对临界大小的缺陷骨进行原位修复。该工作以“Mechanically robust and personalized silk fibroin-magnesium composite scaffolds with water-responsive shape-memory for irregular bone regeneration”为题发表于24年的Nature Communications上。 

 文章亮点 

1. 创新性地构建了一种丝素蛋白/氧化镁（SF/MgO）复合支架，该支架不仅具备优异的机械稳定性，还具有独特的水响应形状记忆功能。这种设计使得支架能够快速适应不规则骨缺损的形状，通过简单的修剪即可实现与缺损部位的良好界面整合，为不规则骨缺损的修复提供了一种全新的解决方案。 

2. SF/MgO 支架在降解过程中表现出优异的机械稳定性和结构保持性。实验结果显示，随着氧化镁含量的增加，支架的压缩模量呈上升趋势，SF、SF-1nMgO和SF-3nMgO支架的压缩模量分别为58.75±14.03 kPa、109.25±9.91 kPa和245.66±24.21 kPa。即使在模拟体液（SBF）中浸泡28天后，SF/MgO复合支架的压缩模量也未出现显著变化，这表明其在降解过程中仍能为骨缺损部位提供稳定的支撑，有力地支持了新骨组织的形成和与周围骨组织的紧密整合。 

3. 该支架在体外进一步促进成骨细胞的增殖、粘附和迁移以及骨髓间充质干细胞（BMSC） 的成骨分化。在适当的 MgO 含量下，支架表现出良好的组织相容性、低异物反应 （FBR）、显著的异位矿化和血管生成。雄性大鼠的颅骨缺损实验表明，无细胞 SF/MgO 支架显著增强颅骨缺损的骨再生。 

 图1 SF/MgO 复合支架用于微创临床大小不规则骨再生的设计和工作机制 

 图2 SF 和 SF/MgO 复合支架的形态和表征 

 图3 SF/MgO 支架的性能和机械性能 

 图4 SF/MgO 支架的个性化定制和形状记忆效应 

 图5 SF、SF-1nMgO 和 SF-3nMgO 支架的体外生物相容性和迁移评估 

 图6 SF 和 SF/MgO 支架的体外成骨效应 

 图7 SF、SF-1nMgO 和 SF-3nMgO 组皮下植入的体内组织学评估 

 图8 SF、SF-1nMgO 和 SF-3nMgO 组体内异位成骨的评价 

 图9 在大鼠颅骨缺损模型中，SF/MgO 支架增强了原位颅骨再生 

 图10 空白、SF 和 SF-1nMgO 组在 4 周和 8 周时再生组织的代表性染色图像 

参考文献Mao, Z., Bi, X., Yu, C. et al. Mechanically robust and personalized silk fibroin-magnesium composite scaffolds with water-responsive shape-memory for irregular bone regeneration. Nat Commun 15, 4160 (2024). 论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48417-8