骨損傷的修復是臨床醫學中的重大難題,尤其是對于大面積骨缺損,因其自我修復能力有限,常導致長期功能障礙和并發癥。傳統治療方法,如骨移植、藥物遞送和生物材料支架,因血管化不足、藥物滯留效果差以及機械刺激不足等問題,療效受限。如何實現微創、高效且精準的骨修復,成為亟待解決的科學挑戰。
為此,深圳大學王奔博士聯合北京大學深圳醫院沈杰博士等,開發了一種基于振蕩磁場的微馬達骨修復技術。研究成果以“Oscillating Magnetic Field Induced Bone Injury Repair by using Drug-Free Micromotors”為題,發表在國際頂級期刊《Advanced Science》上。該研究提出了一種無需藥物載體的微馬達骨修復方法,通過振蕩磁場驅動的機械微運動直接促進骨再生,為骨損傷治療提供了一種全新的解決方案。王奔博士為通訊作者,沈杰博士(北大深圳醫院)、何睿(深大)、何家俊(深大)為第一作者。
(截圖源自Advanced Science官網)
研究團隊設計了一種由磁性明膠/透明質酸復合水凝膠制成的微馬達,其核心創新在于利用振蕩磁場驅動微馬達產生局部機械微運動,直接刺激骨生成,而無需藥物或生物因子的輔助(圖1)。微馬達通過外部磁場的精準控制,在骨缺損部位施加適度的機械刺激,促進骨髓間充質干細胞的增殖與分化,同時加速骨基質的礦化和膠原纖維的有序排列。從分子生物學機理來看,微動會觸發粘著斑激酶的磷酸化,并誘導Wnt依賴的β-Catenin在核內聚集,啟動下游信號級聯,從而促進成骨。
圖1. 微動馬達用于骨缺損修復中的概念示意圖。
在體外實驗中,微馬達在振蕩磁場作用下顯著促進了骨髓間充質干細胞的增殖和分化,表現出優異的生物相容性和力學刺激效果。在大鼠股骨缺損模型中,微馬達的機械微運動使新生骨組織的體積比例增加了近兩倍,并且新生骨組織呈現出良好的礦化結構和膠原纖維排列。
圖2. 微馬達的體外生物學特性。
與傳統的超聲或振動刺激相比,微馬達的局部微運動具有更高的精準性和可控性,避免了非特異性刺激對周圍組織的影響。此外,該技術無需藥物載體,避免了成骨藥物和刺激因子的副作用以及藥物毒性等潛在風險,為骨修復提供了一種安全、有效且可持續的治療手段。
圖3. 體內微動馬達的骨損傷修復。
該研究不僅為骨損傷修復提供了一種全新的技術路徑,也為微馬達在再生醫學中的應用開辟了新方向。微馬達的設計和驅動機制具有高度的可擴展性,未來有望應用于軟骨修復、神經再生以及其他組織工程領域。此外,結合人工智能和實時成像技術,微馬達的導航與控制精度將進一步提升,為個性化、精準化的醫療方案提供更多可能性。
論文信息:Jie Shen, Rui He, Jiajun He, Lipeng Liao, Yongcan Huang, Shaoxiong Min, Xiaoreng Feng, Bin Chen, Ben Wang*, Oscillating magnetic field induced bone injury repair by using drug-free micromotors. Advanced Science 2025, DOI: 10.1002/advs.202503254.
論文鏈接:https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202503254
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