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骨缺损修复一直是临床骨科面临的重大挑战，尤其是临界尺寸骨缺损的治疗，全球每年约有400万新发病例。当前基于干细胞的疗法虽前景广阔，却长期受困于三大瓶颈：干细胞归巢效率低、体内命运监测困难、以及缺乏对治疗活性的时空可控性。
近日，暨南大学附属广东省第二人民医院刘红梅教授团队、化学与材料学院纳米智造研究院陈填烽教授团队联合美国北卡罗来纳大学教堂山分校Zibo Li教授团队在在国际TOP期刊《Advanced Materials》（影响因子29.1）发表了一项突破性研究成果。研究团队巧妙整合生物正交化学、超声成像与声响应生物材料，开发出一种"可捕获、可追踪、可调控"的智能水凝胶平台，为骨再生医学提供了全新范式。暨南大学广东省第二人民医院为第一署名单位，超声科许仁豪博士后、张凝博士及何燕妮教授为本论文的共同第一作者；暨南大学广东省第二人民医院刘红梅教授、陈填烽教授与美国北卡罗来纳大学教堂山分校Zibo Li教授为该文章的共同通讯作者。
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Advanced Materials是由Wiley出版社于1988年创办的材料科学领域顶级国际期刊。该期刊享有极高的学术声誉，核心聚焦材料化学、物理、纳米技术及生物医用等跨学科前沿领域的高水平研究。该期刊最新影响因子为29.1，JCR：MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY Q1（2/438，百分位 99.5%）。
精准捕获：
从“生物亲和”到“化学精准”
研究团队首先通过代谢糖工程技术对骨髓间充质干细胞（BMSCs）进行双重功能化修饰：利用无铜点击化学将生物源性气体囊泡（GVs）偶联至细胞表面，同时引入反式环辛烯（TCO）基团。这些功能化干细胞（BMSCs-GV-TCO）可通过快速的逆电子需求Diels-Alder（iEDDA）反应，被四嗪（Tz）修饰的水凝胶（Gel-Tz）高效、特异地捕获于骨缺损部位。
该策略实现了从传统"生物亲和"到"化学精准"的跨越。体外实验表明，BMSCs-GV-TCO在1分钟内即可被Gel-Tz水凝胶快速捕获；体内PET-CT和荧光成像进一步证实，TCO修饰的细胞或分子探针可特异性富集于Gel-Tz水凝胶位点，而非Tz修饰对照组则无信号累积。
实时可视：
GV赋予干细胞"超声显影"能力
GVs是一类由嗜盐古菌产生的纳米级中空蛋白质壳结构，具有优异的超声对比性能。研究团队发现，经功能化修饰的BMSCs-GV-TCO在超声成像下呈现显著增强的谐波信号，且信号强度与细胞密度呈正相关。在大鼠双侧颅骨临界尺寸缺损模型中，研究人员通过皮下注射BMSCs-GV-TCO后，利用实时超声成像成功追踪了干细胞向Gel-Tz水凝胶位点的定向迁移和捕获过程，而无TCO修饰的对照组未见明显信号累积。这是首次实现干细胞体内捕获过程的全超声可视化追踪，为该策略的临床转化提供了便捷的影像学基础。
按需调控：
超声作为"远程开关"激活骨再生
研究中最具创新性的发现是：附着在BMSCs表面的GVs不仅赋予细胞超声可视性，更可作为超声响应"开关"调控干细胞功能。研究团队发现，GVs的物理存在会抑制BMSCs的成骨分化和迁移能力——ALP染色、茜素红染色及成骨基因（ALP、Runx2、Sp7）表达分析均证实了这一现象。然而，低强度脉冲超声（0.1 W，1秒）可瞬时破坏GVs结构，解除其对干细胞的"制动"效应，使成骨分化能力恢复至正常水平。转录组学分析揭示，这一过程与YAP信号通路的机械转导密切相关：GVs附着导致YAP蛋白Ser127位点磷酸化水平升高，使其滞留于细胞质中；超声介导的GV破裂则恢复YAP核转位，从而重启成骨相关基因转录。
在体内验证中，研究团队建立双侧大鼠颅骨临界尺寸缺损模型，右侧植入Gel-Tz水凝胶、左侧植入GelMA水凝胶作为对照。结果显示，仅BMSCs-GV-TCO + Gel-Tz + 超声组实现了接近完全的骨缺损修复，Micro-CT定量分析表明新骨面积和骨密度显著优于其他对照组。组织学染色进一步证实了大量新生骨组织形成及胶原基质有序排列。
临床转化潜力
为再生医学提供一种普适性技术框架
该研究构建了一个集"化学精准捕获—超声实时监测—声学远程调控"于一体的智能干细胞治疗平台，系统解决了当前干细胞治疗面临的核心瓶颈。鉴于超声成像与治疗设备在临床的广泛可及性，以及水凝胶和干细胞的良好生物相容性，该策略具有较强的临床转化前景。
值得关注的是，该平台的模块化设计使其不仅限于骨缺损修复：通过更换功能化细胞类型或调整水凝胶植入部位，该策略有望拓展至心肌修复、神经再生、软骨重建等广泛组织工程领域，为再生医学提供一种普适性技术框架。
该研究获得了国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金等多项资助。
文章信息
Xu, R., Zhang, N., He, Y., Zhang, H., Zhu, Z., Zheng, W., Huang, Y., Wang, X., Li, Z., Liu, H., & Chen, T. (2026). Ultrasound-Mediated OFF-to-ON Switching of Bone Regeneration via a Bioorthogonal Cell-Capture Hydrogel, Enabling Spatiotemporal Control and Monitoring. Advanced Materials. DOI: 10.1002/adma.73964
关键词： 骨缺损、超声、生物正交水凝胶、骨髓间充质干细胞
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供稿 超声科
内容编辑 融媒体中心朱健
责任编辑 融媒体中心朱健
审核专家 超声科负责人、副主任医师何燕妮
审核发布 融媒体中心黄怡辛
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