第一作者：Xiangru Chen、Zhiwei Sun、Zhi Zheng、Yinghao Cao
通讯作者：Chuchao Zhou、Yanqing Yang、Qijun Xu、Changyan Jiang
通讯单位：武汉大学同仁医院
最近，武汉大学同仁医院Chuchao Zhou、Yanqing Yang、Qijun Xu&Changyan Jiang团队在《Journal of Nanobiotechnology》期刊发表了近红外响应黑磷释放与温和光热协同模块化组装纳米复合水凝胶用于优化再生微环境并加速感染性骨修复的文章。
感染性骨缺损仍是临床难题，现有手段难以实现细菌感染、免疫微环境调控、血管再生与成骨分化的时空协同控制。本研究构建一种808 nm 近红外（NIR）响应的模块化组装治疗体系，包含三大功能模块：3D 打印类蜂窝聚乳酸（HP）框架（力学支撑模块）、胶原 - 氧化石墨烯 - 黑磷（CGB）纳米复合水凝胶（细胞外基质模拟填充模块）、NIR 响应黑磷（BP）释放模块。
在 NIR 诱导的温和光热作用下，CGB@HP 水凝胶实现 NIR 响应性 BP 释放，BP 降解为磷酸根离子（PO43-），并上调热休克蛋白 47，从而提升抗菌活性、成骨与血管生成能力，诱导巨噬细胞向促修复 M2 表型极化。大鼠感染性临界骨缺损模型的体内验证进一步证实，CGB@HP 系统通过减轻局部炎症、上调促愈合因子分泌、募集内源性干细胞、刺激血管再生，加速骨愈合。
综上，本研究提出一种模块化 NIR 响应平台，整合物理（温和光热治疗）与化学（BP 释放 / 降解）信号重塑受损组织微环境。该模块化设计集结构支撑、生物活性分子递送、NIR 响应免疫调控于一体，为感染性骨再生提供极具前景的策略与广泛应用价值。
要点：创新性构建模块化组装的近红外（NIR）响应型纳米复合水凝胶 CGB@HP，将 3D 打印力学支撑、黑磷可控降解释磷与温和光热效应高效协同，同步实现强效抗菌、巨噬细胞 M2 型极化、促血管生成与促成骨四重功能，在大鼠感染性临界骨缺损模型中显著加速骨愈合，并通过转录组学揭示其调控 PI3K‑Akt、ECM‑受体互作等关键通路的分子机制，为感染性骨缺损的一体化、时空精准修复提供了安全高效且具有临床转化潜力的新型策略。
图 1 用于增强骨再生的近红外响应型纳米复合水凝胶的制备及应用过程示意图
(a) 采用氧化石墨烯（GO）、Ⅰ 型胶原（Col）和黑磷（BP）通过一步法合成 Col‑GO‑BP（CGB）纳米复合材料。同时，制备具有类蜂窝结构的 3D 打印聚乳酸支架（HP）。将 CGB 纳米复合材料与 HP 支架组装，形成最终的组装纳米复合水凝胶，命名为 CGB@HP。
(b) 将 CGB@HP 水凝胶植入大鼠感染性骨缺损部位，随后用近红外激光照射以激活光热响应。
(c) 在近红外调控下，CGB@HP 水凝胶表现出多种生物功能，包括抗菌活性、免疫调节（诱导巨噬细胞向 M2 型极化）、促进血管生成以及增强成骨作用，共同加速感染性骨缺损的修复。
图 2 所制备水凝胶的理化表征
A 所制备水凝胶的光学照片。
B 所制备水凝胶的扫描电镜图，C 能谱 mapping 图，白色箭头指向晶体。
D 傅里叶变换红外光谱、E 拉曼光谱、F X 射线衍射分析。
G 应力‑应变曲线，H 水凝胶的压缩强度。
图 3 水凝胶的体外光热性能
A 近红外诱导黑磷降解为磷酸根离子（PO₄³⁻）的示意图。
B 不同近红外照射功率（0.5、1.0、1.5 W cm⁻²）下 CGB@HP 水凝胶的实时红外热成像图，C 光热升温曲线。
D 四次开关循环下 CGB@HP 水凝胶的光热稳定性。
E 紫外‑可见‑近红外吸收光谱。
F CGB@HP 水凝胶冷却阶段中，冷却时间与驱动力温度负自然对数的拟合曲线。
G、H 有无近红外照射（808 nm，1.0 W cm⁻²）时 CGB@HP 水凝胶的磷酸根离子（PO43-）累积释放量。
I 有无近红外照射（808 nm，1.0 W cm-2）时水凝胶的扫描电镜图。
图 4 水凝胶的体外抗菌性能
A 近红外诱导抗菌效应的示意图。
B 对照组、HP 组、CGB@HP 组、CGB@HP+NIR 组处理后耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和大肠杆菌（E. coli）的菌落照片与激光共聚焦荧光照片。
C、E MRSA（C）和大肠杆菌（E）的细菌存活率定量分析。
D、F MRSA（D）和大肠杆菌（F）死菌相对荧光强度。
G、I 不同样品对 MRSA（G）和大肠杆菌（I）的 ONPG 水解实验。
H、J 不同样品处理后 MRSA（H）和大肠杆菌（J）的胞外泄漏蛋白浓度。
标尺：B 中光学照片 2 mm，激光共聚焦照片 100 μm。
图 5 水凝胶的体外生物相容性
A 水凝胶对骨髓间充质干细胞（BMSCs）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的体外生物相容性示意图。
B 接种在水凝胶上的 BMSCs 的活 / 死染色、D 活细胞荧光定量分析、E MTT 分析。
C 接种在水凝胶上的 HUVECs 的活 / 死染色、F 活细胞荧光定量分析、G MTT 分析。
H 不同样品与红细胞共孵育的光学照片，I 对应的溶血率。
标尺：B、C 中 500 μm。
图 6 水凝胶的体外免疫调节作用
A 水凝胶联合近红外照射对巨噬细胞免疫调节作用的示意图。
B 有无近红外照射不同处理后 RAW264.7 巨噬细胞中 CD86 和 CD206 的免疫荧光染色。
C、D CD86（C）和 CD206（D）相对荧光强度定量分析。
E、F RAW264.7 巨噬细胞中炎症相关基因的相对 mRNA 表达。
G 巨噬细胞表面 CD86 和 CD206 表达的流式细胞术分析。
H CD206⁺/CD86⁺比值定量分析。
图 7 水凝胶的体外血管生成性能
A 水凝胶联合近红外照射对人脐静脉内皮细胞（HUVECs）血管生成性能影响的示意图。
B 划痕愈合实验显微镜照片，D 定量分析。
C 管形成实验显微镜照片，E、F 2 h 和 4 h 时 HUVECs 的节点数（E）和血管面积（F）定量分析。
G 蛋白免疫印迹图，H、I HIF‑1α、CD31 和 VEGF 的相对蛋白表达（H）和相对 mRNA 表达（I）定量分析。
图 8 水凝胶的体外成骨能力
A 水凝胶联合近红外照射对骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨分化影响的示意图。
B 碱性磷酸酶（ALP）染色显微镜照片，F 定量分析。
C 茜素红 S（ARS）染色显微镜照片，G 定量分析。
D、E BMSCs 中骨桥蛋白（OPN）和 Runt 相关转录因子 2（Runx2）的免疫荧光染色。
H 蛋白免疫印迹分析，I、J Runx2、ALP、骨形态发生蛋白 2（BMP‑2）、OPN 和热休克蛋白 47（HSP47）的相对蛋白表达（I）和相对 mRNA 表达（J）定量分析。
图 9 水凝胶的体内感染性骨修复效果
A 水凝胶联合近红外照射对感染性骨修复能力影响的示意图。 B 植入后 4 周和 8 周缺损部位骨组织的三维重建显微 CT 图像。 C–F 显微 CT 结果定量分析，包括骨体积分数（BV/TV，C）、骨矿物质密度（BMD，D）、骨小梁厚度（Tb.Th，E）和骨小梁分离度（Tb.Sp，F）。 G、H 缺损部位再生骨组织的苏木精伊红（H&E）染色（G）和马松三色染色（H）组织学分析。
图 10 植入后 4 周和 8 周骨组织的免疫组化与免疫荧光染色
A 血管内皮生长因子（VEGF）免疫组化染色，E 定量分析。 B–D CD31/α平滑肌肌动蛋白（αSMA）、骨形态发生蛋白 2（BMP2）、CD68/CD163 的免疫荧光染色，F–G 阳性染色面积定量分析。
图 11 CGB@HP 水凝胶联合近红外照射在感染性骨再生中的治疗机制
A CGB@HP+NIR 组、对照组与感染性骨再生相关差异基因数量的维恩图。 B、C CGB@HP+NIR 组相对于对照组，骨缺损部位显著差异表达基因的火山图（B）和热图（C）。 D 显著差异表达基因的蛋白质蛋白质相互作用网络。 E 差异表达基因的京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析。 F 差异表达基因的基因本体（GO）富集分析。
本研究构建一种模块化组装 NIR 响应平台，协同整合三大核心模块：基于 PLA 框架的结构支撑模块、实现 NIR 触发 BP 持续释放的生物活性填充模块、NIR 照射介导的光热协同模块。本研究的突出特点是模块化组装策略，可独立优化各功能组分（支撑、释放、光热响应），同时促进其协同整合，实现治疗作用的精准时空控制，提升材料同时应对骨再生多方面问题（高效杀菌、巨噬细胞极化、血管发育、成骨分化）的能力。
该 NIR 响应平台利用 GO@BP 的光热转换与持续释放特性，结合胶原提供的矿化位点，在 NIR 照射下实现 BP、PO₄³⁻、HSPs 等因子的空间分布，发挥免疫调控、血管生成、成骨协同治疗效果。体外评估证实，适当 NIR 暴露下联合温和光热治疗的 CGB@HP 水凝胶治疗平台，展现显著抗菌性能、生物相容性、强效成骨与血管生成能力，以及良好免疫调控功能。体内研究进一步证实，NIR 辅助 CGB@HP 水凝胶加速大鼠临界尺寸感染性骨缺损愈合过程中的多重再生事件，观察到巨噬细胞 M2 极化、新生血管化、成骨等一系列病理与分子改变。
机制上，该 NIR 响应平台通过整合物理（温和光热治疗）与化学（BP 递送 / 降解）干预，在炎症早期快速将巨噬细胞从促炎 M1 表型转变为抗炎 M2 表型，同时有效刺激血管组织生长、内源性干细胞募集与增殖，最终加速骨修复进程。模块化组装方法具备可扩展性，可根据不同治疗需求调整或替换单个模块；通过解耦各组分对整体再生结果的贡献，提供清晰机制。
综上，本研究通过多功能模块整合为一体，为感染性骨再生提供前景策略与广泛应用价值。
全文链接：https://doi.org/10.1186/s12951-026-04434-x
参考文献：Xiangru Chen, Zhiwei Sun, Zhi Zheng, Yinghao Cao, Zhou Wan, Heyan Huang, Qianlong Huang, Changmao Zhang, Jiajia Chang, Hui Chen, Changyan Jiang, Qijun Xu, Yanqing Yang & Chuchao Zhou,Modular assembly of nanocomposite hydrogel with NIR-responsive black phosphorus release and mild photothermal synergy for enhanced regenerative microenvironment and accelerated infectious bone repair.
Journal of Nanobiotechnology
DOI:10.1186/s12951-026-04434-x
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