近日，南方医科大学团队在国际权威期刊《Materials Today Bio》（IF=10.704；JCR一区）发表题为《Copper-incorporated hydrogels loaded with curcumin microspheres for the repair of bone defects》的研究成果。该团队成功研发出一种集抗氧化、抗炎、促血管生成、成骨及抗菌功能于一体的新型复合水凝胶（CA-Cur@Cu hydrogel），为解决骨缺损修复中免疫紊乱、血管损伤和成骨障碍等多重难题提供了创新思路与潜在方案。锐视超高分辨率·离活一体 Micro CT（IMAGING 100）在本研究中承担关键的骨修复相关参数分析任务，为全面验证水凝胶的体内修复效能及生物安全性提供了精准、可靠的数据支撑。
骨缺损修复仍面临局部免疫失调、血管损伤和成骨功能异常等严峻挑战，目前尚未有完全理想的解决方案。本研究通过双乳化技术构建姜黄素/聚乳酸-乙醇酸共聚物（Cur/PLGA）微球，并将其负载于铜离子交联的羧甲基壳聚糖/海藻酸钠水凝胶中，成功制备出CA-Cur@Cu复合水凝胶。该水凝胶能长期缓释姜黄素，发挥高效抗氧化和抗炎作用，诱导巨噬细胞向M2型极化以改善骨免疫微环境；同时，其释放的铜离子（Cu²⁺）可协同姜黄素，共同促进血管生成与成骨分化，从而加速骨缺损修复。此外，该水凝胶还具备显著的抗菌活性，能有效抑制临床常见细菌感染。综上，本研究构建的多功能复合水凝胶整合了抗氧化、抗炎、促血管生成和成骨等多重性能，为骨缺损治疗提供了新视角和潜在解决方案。
为研发兼具多重功能的骨修复水凝胶，研究采用了系统的实验设计与评估方法。材料制备方面，通过双乳化法制备Cur/PLGA微球，将其与羧甲基壳聚糖/海藻酸钠溶液混合后，利用含铜离子的氯化钙溶液交联，得到CA-Cur@Cu复合水凝胶。材料表征环节，借助扫描电镜、傅里叶变换红外光谱、压缩试验等技术，分析水凝胶的微观结构、化学组成、力学性能、降解特性、溶胀率及姜黄素缓释行为，并通过H₂O₂、DPPH和ABTS清除实验评估其抗氧化活性。体外实验中，培养大鼠骨膜来源干细胞（PDSCs）、人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和小鼠巨噬细胞（RAW 264.7），通过CCK-8法、活细胞染色评估生物相容性；利用碱性磷酸酶（ALP）染色、茜素红S（ARS）染色、qPCR检测成骨相关基因（COL-1、Runx2、OPN）评估成骨能力；通过CD31免疫荧光染色、管形成实验及血管生成相关基因检测评估促血管生成效果；借助DCFH-DA染色评估抗氧化应激能力；通过巨噬细胞表型标志物染色和炎症因子基因检测分析免疫调节功能；采用菌落计数和细菌活性检测评估对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌作用。在体内实验中，研究通过构建大鼠颅骨缺损模型并植入水凝胶，于术后8周采用锐视科技IMAGING 100 Micro-CT扫描仪（扫描参数：层厚15μm、电压45kV、电流435μA）评估骨修复相关参数（骨体积分数、骨密度等），结合HE染色、Masson染色和骨钙素（OCN）免疫组化染色，全面验证水凝胶的体内修复效能及生物安全性。
实验结果充分验证了CA-Cur@Cu水凝胶的优异性能与修复潜力。材料表征显示，该水凝胶具有疏松多孔的互联结构，Cur/PLGA微球均匀分散于水凝胶孔隙中，具备适宜的力学强度（压缩模量0.308±0.015 MPa，压缩强度0.238±0.010 MPa）和降解特性，28天降解率约70%，且降解过程中环境pH基本维持中性。姜黄素缓释实验表明，水凝胶可有效延缓姜黄素的突释效应，实现长达40天的持续释放，累计释放量达61%。抗氧化实验证实，该水凝胶对H₂O₂、DPPH和ABTS自由基均具有高效清除能力，能显著降低细胞内活性氧（ROS）水平。体外生物相容性实验显示，水凝胶可显著促进PDSCs增殖，CA-Cur@Cu组在培养第5天的细胞活力显著高于对照组和CA-Cur组。成骨实验中，CA-Cur@Cu组的ALP活性、矿化结节形成量及成骨相关基因表达均显著优于其他组；血管生成实验表明，该水凝胶能促进HUVECs的管形成能力和迁移能力，上调CD31、VEGF等血管生成相关基因表达。免疫调节实验显示，水凝胶可抑制巨噬细胞向促炎的M1型极化，促进其向抗炎的M2型极化，显著下调促炎因子（IL-1β、TNF-α）表达，上调抗炎因子（IL-10、Arg-1）水平。抗菌实验证实，该水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均有强效抑制作用，其中对大肠杆菌的清除率可达100%。体内实验中，术后8周的Micro-CT和组织学分析显示，CA-Cur@Cu水凝胶组的骨缺损部位新骨形成量、骨密度和骨小梁质量均显著优于对照组，缺损区域被大量新骨组织填充，胶原纤维沉积丰富，OCN表达水平最高，且对主要脏器无明显毒性。CA-Cur@Cu水凝胶修复骨缺损的Micro-CT结果。（A, B）三维重建图像；（C）冠状截面图像；（D）定量分析数据。
本研究成功制备的CA-Cur@Cu复合水凝胶，通过姜黄素的缓释实现了抗氧化和免疫调节功能，有效改善骨修复微环境；同时释放的铜离子协同姜黄素，共同促进血管生成和成骨分化，形成“抗炎-促血管-成骨”的协同修复效应。此外，该水凝胶凭借羧甲基壳聚糖、姜黄素和铜离子的协同作用，具备强效抗菌活性，可有效预防植入相关感染。该多功能复合水凝胶不仅适用于单纯骨缺损修复，还为感染性骨缺损、糖尿病性骨缺损等复杂组织损伤的治疗提供了新思路，具有广阔的临床转化潜力。其整合多维度修复需求的设计理念，也为骨组织工程材料的研发提供了重要参考。
▲锐视科技Micro-CT成像系统（型号：IMAGING 100）DOI: 10.1016/j.mtbio.2025.102264
