骨骼，作為人體的重要支撐結構，其自我修復能力在面對嚴重創傷、感染或疾病時往往顯得力不從心。骨折不愈合或延遲愈合已成為骨科臨床實踐中一個棘手的難題。傳統的治療方法，如使用抗生素控制感染或抗炎藥物緩解炎癥，往往只能提供暫時的緩解，并可能伴隨抗生素耐藥性或延遲愈合等副作用。更為復雜的是，骨愈合是一個涉及免疫調節、血管生成、成骨分化及生物礦化等多個階段的精密過程。其中，過度炎癥反應驅動的免疫微環境失調，特別是活性氧（ROS）的過量產生，會破壞細胞代謝、促進成骨細胞凋亡并激活促炎巨噬細胞，從而嚴重阻礙骨再生。與此同時，細菌感染會進一步加劇局部炎癥，甚至導致骨溶解。盡管現有的生物材料能夠為骨缺損提供結構支撐，但大多數材料難以同時應對免疫失調和感染風險。因此，開發一種能夠協同調控免疫微環境并有效抗感染的多功能生物材料，對于實現高效的骨再生至關重要。

在這一背景下，多金屬氧酸鹽（POMs）——一類由早期過渡金屬離子（如鉬、鎢、釩）和氧原子構成的多金屬氧簇陰離子化合物——因其可調節的結構和氧化還原活性，作為有前景的ROS清除劑而受到關注。其中，鉬基多金屬氧酸鹽（[PMo₁₂O₄₀]^4?, PMo₁₂）可利用其Mo⁵⁺/Mo⁶⁺價態的可逆轉變高效清除ROS。然而，POMs作為納米藥物在應用中面臨靶向性差、生物相容性不佳、潛在毒性及結構不穩定等挑戰。為解決這些問題，研究人員將目光投向了水凝膠載體。結冷膠（GG）是一種FDA批準的可形成可注射水凝膠的陰離子多糖，具有良好的生物相容性和可調節的孔隙率，但其機械強度較差且骨誘導性有限。納米羥基磷灰石（nHA）是骨骼的主要無機成分，具有良好的生物活性和骨傳導性。將nHA摻入GG基質中，可以顯著增強水凝膠的機械強度和成骨潛力。

基于上述背景，河北醫科大學的研究團隊在《Bioactive Materials》上發表了一項研究，他們成功開發了一種多功能可注射水凝膠系統（Mo-POM@GG/nHA），用于增強骨再生。該研究的核心創新在于將沒食子酸（GA）修飾的鉬基多金屬氧酸鹽納米簇（Mo-POM NCs）負載到GG/nHA復合水凝膠中。理論計算和實驗證據表明，GA向PMo₁₂簇的電子轉移縮小了其最高占據分子軌道（HOMO）與最低未占分子軌道（LUMO）之間的能隙，從而顯著增強了其模擬多種酶（多酶模擬）的活性，使其能有效清除H₂O₂、O₂·^?、·OH等多種ROS，重塑免疫微環境。同時，Mo-POM NCs還通過協同破壞細菌膜和生物膜展現出廣譜抗菌功能。GG/nHA水凝膠支架不僅為Mo-POM NCs提供了穩定和可控釋放的平臺，其多孔結構也支持細胞增殖和營養交換，nHA的加入則進一步增強了力學性能并促進了類骨礦化。

本研究綜合利用了納米材料合成與表征技術（如動態光散射、透射電鏡、傅里葉變換紅外光譜、X射線光電子能譜等證實Mo-POM NCs的成功制備與理化性質）、水凝膠制備與性能評估（包括溶脹、降解、流變學、機械性能測試）、體外生物學評價（細胞活性/增殖/成骨分化檢測、活性氧清除實驗、抗菌實驗、巨噬細胞極化研究）、體內動物模型（小鼠感染性顱骨缺損模型）以及組學分析（轉錄組學和蛋白質組學分析分子機制）。

研究人員成功合成了Mo-POM NCs。表征結果顯示，其粒徑約為2.5 nm，大于未修飾的PMo₁₂（1.1 nm）。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和X射線光電子能譜（XPS）分析證實了GA的成功修飾以及Mo⁶⁺/Mo⁵⁺價態的存在。理論計算（微分電荷密度和態密度分析）揭示了電子從GA轉移到PMo₁₂簇，導致HOMO-LUMO能隙從2.95 eV縮小至1.69 eV，增強了其還原能力和多酶模擬活性。實驗證明Mo-POM NCs能有效清除H₂O₂、O₂^•-、·OH和ABTS自由基，XPS分析進一步證實其ROS清除能力與Mo⁵⁺被氧化為Mo⁶⁺相關。

研究評估了Mo-POM NCs對革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌, S. aureus）和革蘭氏陰性菌（大腸桿菌, E. coli）的抗菌效果。結果表明，Mo-POM NCs具有濃度依賴性的廣譜抗菌活性，對E. coli和S. aureus均表現出顯著抑制作用，并能有效抑制生物膜形成。掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顯示Mo-POM NCs能破壞細菌細胞膜結構。其增強的抗菌能力歸因于GA修飾后優化的電荷分布，有利于其與細菌細胞和生物膜物理屏障的相互作用和穿透。

成功制備了Mo-POM@GG/nHA水凝膠。該水凝膠在45°C時為溶膠狀態，在37°C生理溫度下可迅速轉變為凝膠，具有良好的可注射性和形狀適應性。掃描電子顯微鏡（SEM）顯示水凝膠具有多孔三維結構，元素分布均勻。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）證實了各組分成功復合。水凝膠表現出適宜的溶脹率和降解率，以及剪切稀化特性（證明其可注射性）。nHA的加入顯著提高了水凝膠的壓縮強度，而Mo-POM NCs的添加對其力學性能影響較小。水凝膠能夠持續釋放Mo-POM NCs。

通過涂布法和活/死細菌染色評價了水凝膠的抗菌性能。結果顯示，負載了Mo-POM NCs的Mo-POM@GG/nHA水凝膠對E. coli和S. aureus均表現出顯著的抗菌效果，尤其對S. aureus的抗菌效率高達99.68% ± 0.21%，表明其具有良好的廣譜抗菌活性。

細胞計數試劑盒-8（CCK-8）實驗表明Mo-POM NCs在一定濃度下對小鼠骨髓間充質干細胞（mBMSCs）毒性較低，且Mo-POM@GG/nHA水凝膠提取物能顯著促進mBMSCs增殖。細胞內活性氧（ROS）清除實驗證實該水凝膠能有效降低由H₂O₂誘導的ROS水平。在成骨誘導實驗中，與單純GG或GG/nHA水凝膠相比，Mo-POM@GG/nHA水凝膠組在培養第7天表現出更高的堿性磷酸酶（ALP）活性和染色強度，在第14天表現出更顯著的細胞外基質（ECM）礦化（通過阿爾新紅染色ARS評估）。實時熒光定量PCR（RT-PCR）分析顯示，Mo-POM@GG/nHA組中成骨相關基因（ALP, BMP-2, Col 1, OPN）的表達水平顯著上調，表明其具有強大的成骨誘導能力。

研究探討了水凝膠對巨噬細胞極化的影響。用脂多糖（LPS）誘導RAW264.7巨噬細胞產生炎癥后，與Mo-POM@GG/nHA水凝膠共培養可促使巨噬細胞從促炎的M1表型（表達iNOS）向抗炎的M2表型（表達CD206）轉變。免疫熒光染色和RT-qPCR分析證實，Mo-POM@GG/nHA處理顯著降低了M1表型標志物（IL-1β, IL-6, iNOS, TNF-α）的mRNA水平，同時上調了M2表型標志物（IL-4, IL-10）的表達。轉錄組學分析發現Mo-POM@GG/nHA處理影響了與巨噬細胞極化相關的通路，如TNF、核因子κB（NF-κB）和絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路。Western Blot分析進一步證實，Mo-POM@GG/nHA水凝膠能抑制IL-1β表達，并有效抑制ERK、JNK和p38的磷酸化，表明其通過下調MAPK信號通路抑制炎癥反應。

在小鼠感染性顱骨缺損模型中，Mo-POM@GG/nHA水凝膠顯著減輕了細菌感染和炎癥細胞浸潤。在非感染性臨界尺寸顱骨缺損模型中，Micro-CT成像和組織學染色（H&E和Masson三色染色）結果顯示，植入8周后，Mo-POM@GG/nHA水凝膠組的新骨形成量、骨體積分數（BV/TV）、骨小梁數量（Tb.N）和厚度（Tb.Th）均顯著高于其他組。免疫組織化學和免疫熒光染色顯示，Mo-POM@GG/nHA水凝膠組骨缺損部位促炎因子IL-1β表達降低，成骨標志物OPN和Col 1表達增強，同時巨噬細胞向M2表型（CD206+）極化增多，M1表型（CD86+）極化減少，表明其在體內有效緩解了炎癥并促進了成骨。

對術后8周顱骨組織的蛋白質組學分析顯示，與對照組相比，Mo-POM@GG/nHA組有202個差異表達蛋白（56個上調，146個下調）。京都基因與基因組百科全書（KEGG）通路富集分析表明，水凝膠的治療作用與粘著斑、血小板活化、神經營養因子信號、細胞外基質（ECM）-受體相互作用以及NOD樣受體信號等通路有關。基因本體論（GO）富集分析證實，水凝膠通過調節非經典NF-κB信號、JNK和MAPK級聯、MyD88依賴性Toll樣受體信號、免疫反應相關的細胞因子產生以及傷口愈合過程，改善了骨缺損部位的免疫微環境，促進了ECM整合、血管化、神經再生和骨組織再生。

溶血實驗表明，Mo-POM@GG/nHA水凝膠的溶血率低于5%，具有良好的血液相容性。

本研究成功開發了一種集免疫調節、抗菌、抗氧化和成骨誘導功能于一體的可注射多功能水凝膠（Mo-POM@GG/nHA）。該水凝膠的核心組分Mo-POM NCs通過GA修飾增強了其電子轉移能力和多酶模擬活性，能有效清除ROS，緩解氧化應激，并通過破壞細菌膜和生物膜發揮廣譜抗菌作用。GG/nHA水凝膠支架不僅為Mo-POM NCs提供了穩定的緩釋平臺和細胞生長支持結構，其本身的生物活性和nHA的成骨誘導性也協同促進了骨再生。體內外實驗證實，該水凝膠能顯著促進巨噬細胞向抗炎M2表型極化，抑制促炎反應，并有效增強成骨分化與礦化，最終在感染性和非感染性骨缺損模型中均顯著促進了新骨形成。蛋白質組學分析進一步揭示了其通過調控多條信號通路改善骨再生微環境的分子機制。

這項研究的意義在于：首先，它首次將POM納米簇系統性地應用于骨缺損修復，拓展了POMs在生物醫學領域的應用范圍。其次，該研究提出了通過單一納米簇核心調控劑（Mo-POM NCs）實現“一石三鳥”（消除炎癥、調節免疫微環境、促進成骨）的創新策略，為設計新一代集成的骨科生物材料提供了新思路和理論實驗基礎。最后，這種多功能水凝膠在應對伴有感染和炎癥的復雜骨缺損方面展現出巨大的臨床轉化潛力。