中科院应化所陈学思院士、肖春生研究员AM综述：

　　图12。 用于骨软骨再生的仿生矿化水凝胶。a) (i) 双层水凝胶的制备及OC缺损修复示企图；(ii) 水凝胶植入兔膝关节修复OC缺损示企图；(iii) 6周和12周时取出样本的大体形态及各时间点修复缺损的响应ICRS宏不雅评分。b) (i) SFI-T/SFI-B支架的制备过程示企图；(ii) 空白对照组和各类支架组OC缺损的代表性照片；(iii) 缺损区域的代表性Micro-CT图像及BV/TV、骨小梁数量和间距的定量阐发。

　　图5。 通过光介导矿化制备的仿生矿化水凝胶。b) (i) 操纵可见光介导纳米生物矿化制备BTHs的方案；(ii) 基于钌化学的三沉正交光化学反映快速高效制备BTHs的示企图；(iii) 植入后6周和12周颅骨缺损的Micro-CT代表性图像。c) 用于加强骨再生的PMHs制备方案示企图。

　　图8。 通过取金属氧化物配位矿化制备的仿生矿化水凝胶。a) (i) 原位凝胶、非原位凝胶和无配体凝胶的制备示企图；(ii) 代表性流变频次扫描图；(iii) 预构成的原位1x凝胶支架履历多达五个矿化轮回以加强矿化。b) (i) 矿化策略的示企图和视觉展现；(ii) 水凝胶的磁驱动。

　　图9。 通过自觉动态矿化制备的仿生矿化水凝胶。a) (i) DMH的制备及其动态矿化过程示企图；(ii) 水凝胶正在37°C孵育期间的颜色和储能模量变化；(iii) DMH自觉动态矿化行为的表征；(iv) 分歧处置后骨缺损区域的CT图像。b) (i) ADA、HA、MPMH、CPMH和MCPMH的XRD谱图；(ii) MCPMH中ADA的累积曲线；(iii) MCPMH中Mg²⁺和Ca²⁺的累积量；(iv) 分歧处置后骨缺损区域的CT图像。

　　图4。 通过酶促矿化制备的仿生矿化水凝胶。a) PAAm-l-MBAm和PDMA-l-TEG复合材料的矿化过程及力学机能。b) BC/海藻酸钙双收集水凝胶中的酶促矿化。c) 3D打印水凝胶收集的酶促矿化。d) pAsp加强的酶促矿化示企图。

　　图13。 用于骨质松散修复的仿生矿化水凝胶。a) CHAp-PAA水凝胶的制备示企图及体内评估。b) MDH的制备示企图及植入分歧水凝胶的大鼠颅骨缺损代表性Micro-CT图像及BV/TV和Tb。Th的定量组织形态学阐发。

　　正在具体建立策略方面，综述沉点图解了几种环节机制。反映-扩散矿化机制是常用方式之一，此中正在模仿体液中浸泡（图2）是一种间接策略，通过正在离子浓度、时间等参数长进行优化，可正在水凝胶概况构成类骨羟基磷灰石涂层。例如，有研究通过多层布局设想（图2d），实现了水凝胶内部HAp的平均堆积，从而提拔骨再生效率。另一种替代方案是正在金属离子和氧阴离子溶液中交替浸泡（图3），例如操纵去木质化的木材模板制备出具有高度各向同性布局的矿化水凝胶复合材料（图3a）。此外，酶促矿化（图4）操纵碱性磷酸酶等催化磷酸酯磷酸根，能正在暖和前提下实现矿物正在水凝胶内部的平均分布取高含量发展，显著提拔材料的力学机能。光介导矿化（图5）则操纵黑磷等光敏材料，正在近红外光映照下可控地磷酸根并激发矿化，应力介导矿化（图6）是一种立异范式，通过压电材料正在机械负荷下发生电荷来矿物堆积，付与材料自顺应软化的能力。

　　图7。 通过取金属离子配位矿化制备的仿生矿化水凝胶。a) (i) 单体和收集构成化学示企图；(ii) 、去和铁处置样品的工程应力-应变关系及铁处置样品的应变率依赖性。b) 为骨再生设想的复SF基水凝胶的制备过程示企图。c) (i) 自拆卸HA-BP-Mg纳米复合水凝胶的制备示企图；(ii) 原位/非原位水凝胶的力学机能。d) 自拆卸HA-BP-M纳米复合水凝胶的制备过程及描摹表征示企图。

　　虽然仿生矿化水凝胶正在骨再生范畴取得了显著进展，但其临床仍面对挑和。将来研究需聚焦于进一步提拔材料的力学机能和矿化效率，阐明并加强其骨性的生物学机制，并操纵3D打印等手艺鞭策个性化医治的成长。同时，开辟可规模化、尺度化出产的“一锅法”矿化策略，确保产物批次间的分歧性，是实现其从尝试室临床使用的环节。跟着对矿化机制和成骨生物活性理解的不竭深切，这类高度仿生的材料不只将为骨科医治带来改革，其设想道理取合成方式也无望正在修复牙科、软骨工程、生物传感等范畴斥地新的前沿。

　　图14。 用于其他骨相关疾病医治的仿生矿化水凝胶。a) (i) 制备用于共递送αPD-L1和vismodegib的HA-BP-Mg水凝胶示企图；(ii) 医治28天后收成的肿瘤及相邻骨组织的数码照片；(iii) 医治后KTM2骨肉瘤荷瘤小鼠的肿瘤发展曲线和最终肿瘤分量；(iv) 各医治组28天时的代表性X射线图像及Micro-CT图像和截面图。b) (i) 通过实空矿化制备用于肌腱缺损修复的CS-FS支架的过程示企图；(ii) 未经处置的FS、各类CS-FS支架及天然肌腱的最大拉伸强度和韧性；(iii) 正在大鼠RCT模子中，基于番红O-固绿染色和组织学评分对肌腱-骨界面纤维软骨再生的定量阐发；(iv) 术后12周肌腱-骨界面的组织学图像。

　　骨骼做为人体环节的承沉组织，其毁伤修复一曲是临床面对的严沉挑和。大尺寸骨缺损无法自行愈合，而当前的金尺度——自体骨移植，又存正在供区并发症、疾病等风险。因而，开辟可以或许模仿天然骨成分取布局的合成骨移植替代材料具有主要意义。保守水凝胶虽取细胞外基质类似，但往往机械强度不脚、骨性差。受天然界生物矿化过程的，可以或许模仿骨组织化学成分、布局组织和力学机能的仿生矿化水凝胶，已成为骨再生范畴极具前景的候选材料。

　　文章起首阐释了天然界中生物矿化的典范取非典范结晶路子。典范路子遵照由离子或自觉丛聚构成临界晶核，再逐层发展的模式；而非典范路子则凡是颠末液态液滴或无定形纳米颗粒等前驱体相，最终为晶体。这一根本道理为设想仿生矿化材料供给了焦点灵感。

　　近日，中国科学院使用化学研究所陈学思院士团队肖春生研究员、Zhang Xiaonong博士，系统总结了仿生矿化水凝胶用于骨再生的最新进展。文章从天然生物矿化道理出发，沉点阐述了建立异质和同质仿生矿化水凝胶的立异策略，并深切切磋了其正在骨缺损修复、骨软骨再生、骨质松散性骨修复以及其他骨相关疾病医治中的使用。最初，文章指了然该范畴持续面对的挑和，并瞻望了将来的研究标的目的，以鞭策此类水凝胶系统向临床。相关论文以“Biomimetic Mineralized Hydrogels for Bone Regeneration”为题，颁发正在。

　　固定金属-配体配位矿化机制（图7，图8）操纵润色有金属连系配体（如儿茶酚、双膦酸盐）的聚合物，通过取金属离子或金属氧化物配位，正在特定位点激发矿化并交联收集，从而正在连结收集弹性的同时加强力学机能。自觉动态矿化机制（图9）实现了冲破，无需外部刺激即可发生无定形到结晶的自觉相变，并具备持续或序贯药物的能力，能更好地协调血管生成取骨再生过程。无机-无机共聚矿化机制（图10）通过无机低聚物取无机单体共聚，正在程度实现平均复合，获得了具有杰出力学机能的持续杂化收集。

　　图11。 用于骨缺损修复的仿生矿化水凝胶。a) (i) 仿生矿化水凝胶支架的DMA和FTIR表征；(ii) 12周时分歧组的3D沉建图像。b) 术后8周和12周临界尺寸颅骨缺损的放射学图像。c) (i) SCMA-AMCP的制备示企图；(ii) 植入后第12周的代表性Micro-CT图像、Masson三色染色图像和H&E染色图像。d) (i) MHM-MOFsICA的制备示企图；(ii) 术后4周和8周分歧改性脱细胞蘑菇支架组的BV/TV和骨小梁厚度。

　　正在使用方面，这些仿生矿化水凝胶展示出广漠前景。正在骨缺损修复中（图11），通过模仿生物矿化级联和哈弗斯系统布局，可制备出指导新骨定向发展的支架。对于涉及软骨和软骨下骨的骨软骨缺损（图12），双层水凝胶可别离功能化以推进软骨和骨的再生。针对骨质松散性骨修复（图13），兼具抗氧化应激和成骨功能的矿化水凝胶能无效改善病理微下的愈合。此外，正在骨肉瘤医治（图14a）和肌腱-骨界面毁伤修复（图14b）等其他骨相关疾病中，多功能矿化水凝胶也显示出奇特的医治潜力。

　　图10。 通过无机-无机共聚矿化制备的仿生矿化水凝胶。a) (i) 共聚过程、均相PCC的链布局及现实反映流程示企图；(ii) 纯PAM、PAM-NP复合物和PCC的硬度、模量及平均划痕接触深度；(iii) 三者正在60%应变下的压缩强度、压缩模量及典型压缩应力-应变曲线。b) (i) 由CPO、PVA和Alg制备的PVA/Alg/CPO层压板的制备过程及所得收集微不雅布局示企图；(ii) PAC层压板横截面的SEM图像和TEM图像；(iii) 三点弯曲测试分歧阶段PAC层压板的光学照片及响应的弯曲应力-应变曲线。

　　图2。 通过正在模仿体液中浸泡制备的仿生矿化水凝胶。a) 3D打印T-CNF/SA水凝胶支架的制备示企图。b) 可打针双收集水凝胶的制备示企图。c) HAp涂层骨支架的制备示企图。d) 具有平均HAp堆积的MMGCH微凝胶的制备及其正在骨再生中的使用示企图。

　　图3。 通过正在金属离子和氧阴离子溶液中交替浸泡制备的仿生矿化水凝胶。a) 矿化木材水凝胶复合材料的制备及其力学机能和体内成骨结果。b) PAH3-Lap水凝胶的分级矿化及体内血管浸湿。c， d) “冷冻、盐析和矿化”策略制备Col/HAp矿化水凝胶的过程及描摹。