近期，武汉大学中南医院李景峰教授和上海工程技术大学朱同贺教授在科爱创办的期刊Bioactive Materials上联合发表研究文章：构建了一种智能水凝胶：以接枝3-氨基苯硼酸的透明质酸（HA-PBA）与聚乙烯醇（PVA）通过硼酸酯键交联成网，并引入多巴胺修饰的纳米ZIF-8载体（P1@PZIF-8）负载二甲双胍（Met）和甲状旁腺素相关肽-1（PTHrP-1），以改善糖尿病骨缺损的成骨微环境。该水凝胶可降低ROS积累、促进自噬、延缓干细胞与内皮细胞衰老、增强成骨及血管生成，并通过调控PI3K–AKT–mTOR和Wnt/β-catenin通路实现糖尿病骨修复的新型组织工程策略。
糖尿病已成为全球重大健康挑战，目前影响着全球超过10%的成年人口，且患病率持续攀升。临床研究表明，糖尿病患者发生骨折的风险比非糖尿病患者高出约70%，凸显了针对代谢异常人群开发针对性骨再生策略的迫切性。糖尿病患者血糖控制不佳常伴随明显的血糖波动，诱导线粒体功能障碍和持续产生活性氧，从而加剧氧化应激。在高糖环境下，过量的ROS不仅会放大炎症反应、降解细胞外基质，还会损害骨祖细胞功能，严重限制骨组织的自我修复能力。因此，在慢性高血糖与氧化还原失衡的糖尿病微环境中修复骨缺损，需要对组织愈合的多个阶段进行精准协调。研发能够实现这种多因素调控的生物材料，已成为当前骨组织工程领域的重要课题。
针对上述挑战，武汉大学李景峰教授与上海工程技术大学朱同贺教授团队开发了一种微环境响应型智能水凝胶系统，用于时空序贯释放二甲双胍（Met）与PTHrP-1，协同调控糖尿病骨缺损修复过程。该水凝胶通过苯硼酸酯键交联透明质酸-苯硼酸与聚乙烯醇构建，具备良好的生物相容性、可注射性与自愈合能力。研究团队进一步将Met直接负载于水凝胶中实现快速释放，而将PTHrP-1锚定于聚多巴胺修饰的纳米ZIF-8中实现持续释放。PZIF-8的引入不仅增强了水凝胶的力学性能，缩短了凝胶时间，还赋予其ROS/葡萄糖双重响应性。体外与体内实验证实，该水凝胶系统能够在糖尿病微环境中实现药物的逻辑释放：Met在前期快速释放，清除ROS、延缓细胞衰老、恢复线粒体功能；PTHrP-1与Zn²⁺则持续释放，促进成骨分化与血管生成。机制分析进一步揭示，该水凝胶通过激活PI3K-AKT-mTOR通路抑制细胞衰老，并通过Wnt/β-catenin通路促进成骨分化。该研究不仅为糖尿病骨缺损修复提供了一种新型智能材料平台，也为理解其调控细胞行为与微环境重塑的分子机制提供了重要依据。
图1. 复合水凝胶通过调节氧化应激来恢复衰老细胞功能促进糖尿病患者骨缺损修复示意图。
一、材料制备
本研究通过“一锅法”合成 ZIF-8 纳米颗粒，并在多巴胺修饰下获得空心结构的 PZIF-8，再负载PTHrP-1 形成 P1@PZIF-8。PZIF-8 具有良好的分散性与生理稳定性，得益于多巴胺层的保护，能在酸性与氧化环境下实现可控的 Zn²⁺ 释放。表征结果（TEM、FTIR、XRD、XPS 等）证实其空心多孔结构和良好生物相容性。相比 ZIF-8，PZIF-8 对 PTHrP-1 的包封效率显著提升至 85.4%，展现出在糖尿病等复杂微环境中长效递药的潜力。
图 1. PZIF-8 和 P1@PZIF的合成与表征。(A) P1@PZIF-8 的示意图。(B) ZIF-8 和 PZIF-8 的透射电子显微镜（TEM）图像。(C) PZIF-8 的扫描电子显微镜能谱（SEM-EDX）元素分布图。(D) 在去离子水中观察到的 ZIF-8 和 PZIF-8 的廷德尔效应（分别在 0 天和 7 天）。(E) PZIF-8 在不同生理溶液（纯水、PBS 和 DMEM）中的粒径分布。(F) ZIF-8 和 PZIF-8 的傅里叶变换红外光谱（FTIR）图。(G) ZIF-8 和 PZIF-8 的 X 射线衍射（XRD）图谱。(H) ZIF-8 的 X 射线光电子能谱（XPS）图。(I) PZIF-8 的 XPS 图。(J) P1、PZIF-8 和 P1@PZIF-8 的 FTIR 图谱。(K) ZIF-8 和 PZIF-8 对 PTHrP-1 的包封效率。(L) P1@PZIF-8 的能谱分析（EDS）。(M) ZIF-8、PZIF-8 和 P1@PZIF-8 的 Zeta 电位。
二、复合水凝胶的制备与表征
构建了一种具备 ROS/葡萄糖响应性的复合水凝胶（HPA），通过 PVA 与 HA-PBA 的硼酸酯键及 Zn²⁺ 交联形成。该水凝胶机械性能优异、可自愈、具良好生物降解性与成型性。引入 PZIF-8 纳米颗粒后，材料结构更稳定，孔径约 85 µm，有利于细胞浸润与组织再生。在糖尿病特有的高 ROS、高葡萄糖环境中，水凝胶可实现智能降解与时空递送药物：Met快速释放调控糖代谢、减轻氧化应激；PTHrP-1 缓释促进骨生成与血管新生。该系统实现时空可控的药物释放，为糖尿病骨缺损修复提供了新型智能材料方案。
图 2. 复合水凝胶的表征。(A) HPA 水凝胶交联的示意图。(B) HA、PBA 和 HA–PBA 的¹H NMR 谱图。(C) PVA 溶液、HA–PBA 溶液与 PZIF-8 混合后迅速形成水凝胶。(D) HPA、P-HPA、P-Met-HPA、PP-HPA 和 Met-PP-HPA 复合水凝胶的扫描电子显微镜（SEM）图像（比例尺：100 μm）。(E) 孔径分布的统计分析。(F) Met-PP-HPA 水凝胶的扫描电子显微能谱（SEM–EDX）元素分布图。(G) HPA 及复合 HPA 水凝胶在不同频率下的振荡频率扫描储能模量（G′）与损耗模量（G″）变化。(H) 压缩应力–应变曲线。(I) 不同水凝胶在恒定应变速率下的拉伸应力–应变曲线。(J) Zn²⁺ 增强的 HPA 双网络水凝胶示意图。(K) 原始与自愈复合水凝胶的拉伸应力–应变曲线。(L) 各种处理条件下复合水凝胶在 28 天后的剩余质量比。(M) 不同条件下复合水凝胶在 28 天内的 Met 累积释放量。(N) 各种处理条件下复合水凝胶在 28 天内的 PTHrP-1 累积释放量。
三、体外和缺损处PTHrP-1的释放
利用 Cy5.5 荧光标记的 PTHrP-1，研究其在 HPA 水凝胶中的释放行为。结果显示，该水凝胶对 ROS/葡萄糖具有敏感响应特性，在含 H₂O₂ 与葡萄糖环境下药物释放显著加快，实现智能可控释放。进一步通过大鼠颅骨缺损模型体内成像发现，PZIF-8 负载的 PTHrP-1（PP-HPA）水凝胶可在体内持续保持荧光信号 28 天，远超普通 PTHrP-1/HPA 水凝胶的 12 天。该系统有效延长了药物滞留时间与活性释放周期，为糖尿病相关骨缺损修复提供了一种长效、可控且精准的药物递送平台。
图 3. 复合水凝胶的体外释放及其在颅骨缺损中的体内滞留。(A) 利用 IVIS 成像系统评估 PTHrP-1 从 HPA 水凝胶中的释放特性，在不同条件下进行对比：PBS、H₂O₂（1 mM）、葡萄糖（25 mM）及 H₂O₂（1 mM）与葡萄糖（25 mM）的组合。(B) 将水凝胶浸泡于不同溶液中所得的 PTHrP-1 累积释放曲线。(C) 基于不同溶液浸泡条件计算的 PTHrP-1 总释放曲线。(D) 小鼠在不同时间点的代表性 IVIS 成像图，展示了直接将 PTHrP-1 负载于 HPA 水凝胶中以及将 PZIF-8 锚定的 PTHrP-1 整合入 HPA 水凝胶并植入大鼠颅骨缺损后的体内滞留情况。(E) 植入大鼠颅骨缺损后样品的辐射效率及其辐射滞留率比值，通过 IVIS 成像测得（n=3），数据以平均值 ± 标准差（SD）表示。PP：P1@PZIF-8；PP-HPA：将 P1@PZIF-8 整合入 HPA 水凝胶中。
四、复合水调控氧化应激微环境增强自噬缓解BMSCs衰老
构建的 Met-PP-HPA 复合水凝胶在高糖诱导的氧化应激环境中展现出卓越的抗氧化与细胞保护作用。实验显示，该水凝胶可显著降低 BMSCs 的 ROS 生成，恢复抗氧化酶（SOD、GPX1 等）表达，提升线粒体膜电位与 ATP 产量，减轻脂质过氧化与 DNA 损伤。同时，其促进自噬、抑制衰老标志蛋白 p21 表达，并上调成骨相关基因（BMP-2、Col-1）。这种双药物（Met 与 PTHrP-1）时空可控释放的设计有效打破“高糖—ROS—线粒体损伤”恶性循环，恢复干细胞功能，为糖尿病骨修复提供了全新智能材料解决方案。
图 4. 复合水凝胶通过调控高糖微环境中的 ROS 增强衰老 BMSCs 的抗氧化能力。(A) 采用 DCFH-DA 荧光染色测定细胞内 ROS 水平的代表性图像，比例尺：100 μm。(B) 荧光强度的定量分析。(C) 通过流式细胞术（FCM）利用 DCFH-DA 探针检测细胞内 ROS 水平。(D) 采用 qRT-PCR 对 BMSCs 抗氧化相关基因的表达进行定量分析。(E) 使用 JC-1 荧光染色评估 BMSCs 的线粒体膜电位，比例尺：100 μm。(F) JC-1 聚集体与单体荧光比值的定量结果。(G、H、I) 不同处理条件下 BMSCs 的 ATP 含量、SOD 活性及 MDA 水平。(J) 线粒体 ROS 的 MitoSOX 荧光染色代表性图像及其定量分析 (K)。(L) γH2A.X 荧光显微镜图像。(M) γH2A.X 免疫荧光的定量分析结果。(N) 经水凝胶处理的 BMSCs 中 LC3B、p21 和 γH2A.X 蛋白的表达水平。(O) 展示 BMSCs 细胞内 ROS 调控潜在机制的示意图。
五、水凝胶可缓解高糖微环境下骨髓间充质干细胞的细胞衰老，增强其成骨能力
研究发现，高糖环境会加速BMSCs衰老，阻碍骨再生。为此，该团队开发了一种含Met与PTHrP-1的复合HPA水凝胶。结果显示，该水凝胶可显著降低ROS水平及衰老相关蛋白（p21、p53、SA-β-gal）表达，延缓细胞老化。同时，复合水凝胶通过程序化释放Zn²⁺、Met和PTHrP-1，有效促进BMSC迁移与成骨分化，显著提升ALP、ARS染色强度及RUNX-2、Col-1表达。Met瞬时释放调控氧化应激，PTHrP-1持续释放激活成骨，Zn²⁺促进矿化，共同实现抗衰老与促骨再生的协同作用，为糖尿病相关骨缺损修复提供新思路。
图5. 复合水凝胶通过调控细胞衰老，在高糖微环境中增强BMSCs的功能。(A) 示意图展示了水凝胶的程序化药物释放机制，用于调控衰老BMSCs并促进成骨分化。(B) 水凝胶处理3天后，BMSCs中SASP因子的qRT-PCR分析结果。(C) BMSCs的SA-β-gal染色图像。比例尺：100 μm。(D) 水凝胶处理3天后，BMSCs中p21和p53的qRT-PCR分析结果。(E) p21的代表性免疫荧光图像。(F) 第3天BMSCs的Transwell迁移实验结果。(G) 迁移的定量分析。(H) 第7天的ALP染色。(I) 第21天的ARS染色。(J, L) BMSCs中Col-1和RUNX2的免疫荧光染色结果。(K, M) Col-1和RUNX2荧光强度的定量分析。(N) BMSCs中ALP、RUNX2和OCN mRNA表达水平的qRT-PCR分析结果。
六、复合水凝胶机制探究
进一步验证Met-PP-HPA 复合水凝胶在高糖环境下可显著改善 BMSCs 衰老状态并增强成骨能力。生物信息学分析显示，水凝胶处理后，细胞在 DNA 复制、细胞周期、氧化应激响应及 Wnt 信号通路等多条通路上发生显著转录调控。机制研究表明，水凝胶通过激活 PI3K–AKT–mTOR 通路促进自噬清除受损线粒体，减轻 ROS 积累，从而延缓衰老。同时，Wnt/β-catenin 通路被上调，增强 RUNX2 和 Col-1 表达，推动成骨分化。时间控制的 Met 与 PTHrP-1 程序化释放协同发挥作用，实现抗衰老与促进骨生成双重效果，为糖尿病骨缺损修复提供精准治疗策略。
图 6. 复合水凝胶在高糖微环境中调控 BMSCs 衰老的机制。(A) 高糖组与复合水凝胶组样品的主成分分析（PCA）。(B) 差异基因表达分析及样品间相关性评估。(D, E) 弦图展示了 HG 组与 Met-PP-HPA 水凝胶组之间显著差异表达基因（DEGs）相关的 KEGG 通路。(F) 基因集富集分析（GSEA）显示三羧酸循环（TCA）、细胞周期和 DNA 复制通路的富集情况。(G) 通过 Western blot 分析 PI3K/AKT/mTOR 信号通路及衰老相关蛋白 p16 和 p21 的表达。(H, I) p-PI3K/PI3K、p-AKT/AKT、p-mTOR/mTOR、p16 和 p21 表达比值的定量比较。(J) Western blot 分析 Wnt/β-catenin 信号通路及成骨相关蛋白 RUNX2 和 Col-1。(K) Wnt3a、β-catenin、RUNX2 和 Col-1 表达的定量分析。(L) 示意图展示了复合水凝胶激活的信号通路及其作用机制。
七、复合水凝胶促进体内骨再生
糖尿病微环境会加速骨组织衰老，导致BMSCs数量减少、功能下降，骨再生受阻。本研究构建了微环境响应型复合水凝胶，通过时空控制释放Met和PTHrP-1，有效清除局部ROS，延缓BMSCs衰老，并恢复其成骨能力。体内实验显示，Met-PP-HPA显著降低缺损区衰老BMSCs比例（6.21%），增强RUNX2和Col-1表达，抑制破骨细胞活性，同时促进血管生成（CD31/CD34）。该水凝胶通过抗氧化、调控自噬、促进干细胞招募与活化、以及直接递送生物活性因子，实现了糖尿病骨缺损的骨再生和血管化修复。研究为高糖环境下骨再生提供了新策略，并为临床转化奠定基础。
图 7. 复合水凝胶在体内骨修复中效果。(A) DHE 染色荧光图用于定量骨组织局部 ROS 水平，比例尺 200 µm；(B) DHE 荧光强度的定量分析。 (C) 免疫荧光图显示糖尿病条件下骨缺损区 LepR⁺ 细胞中 p16 表达，绿色表示 p16 阳性细胞，红色表示 LepR⁺ 细胞，比例尺 200 µm；(D) LepR⁺ 细胞中 p16 表达的荧光强度定量分析。 (E) 骨缺损区 Col-1 与 RUNX2 的免疫组化染色，比例尺 200 µm；(F) Col-1 与 RUNX2 阳性区域的定量分析。 (G) 8 周时缺损部位 TRAP 染色，比例尺 100 µm；(H) TRAP 阳性细胞计数的定量分析。 (I) 骨缺损区 CD31 和 CD34 表达的免疫荧光染色，比例尺 200 µm；(J) CD31 与 CD34 荧光强度的定量分析。 (K) 示意图展示 Met-PP-HPA 水凝胶在糖尿病骨再生中促进骨修复的作用机制。
石广：武汉大学中南医院2023级博士研究生，聚焦于小分子多肽的骨修复应用与骨组织工程前沿研究。
李景峰：武汉大学中南医院脊柱与骨肿瘤科副主任，教授、主任医师，博士生导师，湖北省医学青年拔尖人才（第一层次），武汉市中青年医学骨干人才，武汉大学珞珈青年学者。中华医学会骨质疏松与骨矿盐疾病分会青年委员、国际神经修复协会中国委员会脊柱脊髓病分会副主任委员、中国研究型医院学会神经再生与修复专业委员会常务委员。从事脊柱外科工作，专注于微创治疗。
近年来主持国家自然科学基金4项，湖北省重点研发计划1项。主要从事小分子多肽的研发及组织工程相关研究，聚焦骨质疏松与退行性骨病。以第一作者/通讯作者在 Bioactive Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano、Advanced Fiber Materials、Advanced Science 、Biomaterials等国际权威期刊发表 SCI 论文 30 余篇，其中 3 篇入选 ESI Top 1% 高被引论文。已获授权国家专利 8 项，曾获中华医学科技奖三等奖。现任 Research（IF 10.9）、Materials Futures（IF 10.8）及《中华骨质疏松与骨矿盐杂志》等多个期刊青年编委。
朱同贺：上海工程技术大学化学化工学院医药前沿技术研究院教授，生物材料学博士、临床医学外科学博士后、研究生导师、校生物增材制造跨学科创新团队带头人。中国生物材料学会分会委员、中国研究型医院学会专委会委员、上海市化学化工学会专委会委员。主持科技部、工信部、国家自然科学基金委科研项目共计 14 项。入选上海市东方英才、青年科技启明星等人才计划。
主要从事活性小分子本体聚合材料的设计与合成、微纳米成型、功能化改性，以及其在软硬组织生理性再生和组织工程制剂中的基础科学研究与工程应用开发。以第一/通讯作者在Advanced Functional Materials、ACS Nano、Bioactive Materials、Advanced Science等期刊发表SCI论文40篇。
该研究获国家自然科学基金（项目编号：82372405）、湖北省重点研发计划（项目编号：2022BCA052）以及武汉市重点研发计划（项目编号：2024020702030105）的支持。
Guang Shi, Zhiqiang Yang, Shenghui Lan, Renxin Chen, Zijian Wu, Luhao Li, Junwu Wang, Zhuowen Hao, Zhenzhou Piao, Mengyue Zhu, Jiayao Chen, Zheyuan Zhang, Lanhong Guo, Yilong Huang, Tian Luan, Hanke Li, Tonghe Zhu, Jingfeng Li. Versatile smart hydrogels for spatiotemporal drug delivery to orchestrate diabetic bone regeneration. Bioactive Materials, 2026, 55: 754-776.
DOI: 10.1016/j.bioactmat.2025.09.049
Bioactive Materials 创建于2016年，自2019年被SCIE检索收录以来影响因子实现跳跃式增长（IF 2019: 8.724；IF 2020: 14.593；IF 2021: 16.874；IF 2022:18.9; IF 2023: 18; IF 2024: 20.3）；JCR materials science, biomaterials 领域SCIE期刊国际排名连续五年第一。此外， 2020年到2025年连续五年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表一区，Top期刊；入选材料科学综合类高质量科技期刊分级目录T1区。
