Advanced Science：SilMA微球搭出可塑形骨类器官，边供氧边调免疫

图1 载氧免疫调节SilMA微球用于骨类器官构建与骨再生的设计

研究速览-三个问题看懂

研究问题：现有骨类器官长期培养和植入后容易缺氧，又缺少免疫调控组分；刚性支架还难以贴合不规则骨缺损。

材料设计：用微流控制备15% SilMA微球，共封装BMSCs、RAW264.7、CaO₂-HAp和过氧化氢酶；微球可光交联、可组装成不同形状。

关键结果：CaO₂-HAp微球持续释氧30天；Sil@B/R/C-H在体外培养28天保持细胞活性和成骨能力，促进M2极化、成骨和血管生成；小鼠颅骨缺损及皮下骨类器官模型中均表现最佳。

一句话结论：研究以SilMA为微球骨架，把成骨种子细胞BMSCs、免疫细胞RAW264.7和持续供氧体系CaO₂-HAp/过氧化氢酶共封装到微流控微球中。SilMA提供可光交联、可塑形的三维微环境，CaO₂-HAp缓解缺氧，RAW264.7推动M2免疫调节，三者共同支持成骨、成血管和骨类器官成熟。

1.论文档案

英文标题：Microsphere Strategy to Generate Conformal Bone Organoid Units with Osteoimmunomodulation and Sustainable Oxygen Supply for Bone Regeneration

期刊 ：Advanced Science

DOI：10.1002/advs.202501437

研究团队：上海大学转化医学研究院类器官研究中心等

核心材料：甲基丙烯酰化丝素蛋白SilMA；LAP光引发剂；CaO₂-HAp；过氧化氢酶；BMSCs；RAW264.7巨噬细胞。

核心体系：SilMA微球；Sil@B（BMSCs）、Sil@B/R（BMSCs+RAW264.7）、Sil@B/R/C（+CaO₂）、Sil@B/R/C-H（+CaO₂-HAp）。

模型：小鼠临界尺寸颅骨缺损；BALB/c小鼠皮下骨类器官形成；体外缺氧/常氧培养与28天长周期培养。

关键词：SilMA、水凝胶微球、微流控、骨类器官、持续供氧、CaO₂-HAp、免疫调节、M2巨噬细胞、成骨、血管生成。

研究亮点：SilMA微球平均直径约622.6 μm；多孔结构支持细胞封装与营养交换；CaO₂-HAp微球可持续释氧30天；微球可组装成骨、心形、三角形和矩形；Sil@B/R/C-H在体外同时促进细胞存活、ALP/ARS成骨、M2极化、VEGF/CD31血管生成；在颅骨缺损和皮下骨类器官模型中均表现最佳。

2.这篇研究解决了什么问题

骨类器官需要在体外长期培养，并最终植入大面积或形状不规则的骨缺损。骨组织本身高度血管化，氧气、营养和代谢废物交换决定细胞能否存活、成骨能否持续。传统类器官常依赖Matrigel等天然基质，存在力学不足、组成不明确和批间差异；刚性支架或打印结构又难以贴合复杂缺损。

更关键的是，现有骨类器官往往只关注成骨细胞和矿化，忽略了巨噬细胞在骨修复中的作用。促炎M1型巨噬细胞会延长炎症期，M2型则有利于血管生成和组织重塑。缺氧与免疫失衡叠加，会限制长期培养后的类器官成熟度和体内修复效果。

SilMA的优势在于可光交联、力学可调、营养和氧气通透性较好，降解产物也相对温和。研究因此把SilMA做成微球，而不是块状支架：微球既能在微流控中均匀成球、共封装多种细胞和功能颗粒，又能像“积木”一样组装成与缺损形状匹配的骨类器官单元。

3.研究具体怎么做

3.1 总体设计

研究采用“材料构建—体外成骨/免疫评价—转录组机制—颅骨缺损修复—皮下骨类器官—28天培养后移植”的递进设计。以15% SilMA和0.05% LAP为水相，通过同轴微流控和365 nm光交联制备微球；比较Sil@B、Sil@B/R、Sil@B/R/C、Sil@B/R/C-H四组。

3.2 体外评价设计

检测微球形貌、粒径、孔隙、力学、降解、溶胀、氧释放和可塑形组装；用活/死染色、CCK-8、ALP、ARS评价细胞存活与成骨；用炎症、M2、血管生成和成骨相关基因及转录组分析免疫与成骨机制。

3.3 动物实验设计

建立小鼠临界尺寸颅骨缺损，设Con、Sil@B、Sil@B/R、Sil@B/R/C、Sil@B/R/C-H组，4周和8周评价Micro-CT、H&E/Masson、OCN/OPN/RUNX2及CD31/CD206。另在BALB/c小鼠皮下植入微球8周，评价骨类器官形成；并将体外培养28天的骨类器官单元移植回颅骨缺损，评价其修复能力。

4.关键结果

4.1 SilMA微球可控制备，并能持续供氧和塑形

同轴微流控制备的SilMA微球平均直径约622.6 ± 5.23 μm，粒径分布集中，SEM显示内部具有连通多孔结构。CaO₂和CaO₂-HAp成功封装，EDS可见Ca、P均匀分布；CaO₂-HAp微球在压缩下表现出更好的结构稳定性。

氧释放实验显示，CaO₂-HAp微球可持续供氧30天，明显优于CaO₂单独组和PBS对照。微球还能组装成骨、心形、三角形和矩形等形状，为不规则骨缺损的适配填充提供可能。

图2 SilMA微球形貌、粒径、CaO₂-HAp封装、力学、释氧、降解、溶胀和可塑形组装

4.2 Sil@B/R/C-H在体外同时促进存活、成骨和M2极化

在缺氧1天、常氧2天的培养条件下，Sil@B/R/C-H组的活细胞比例最高，CCK-8增殖活性最强。ALP和ARS染色显示，该组的早期成骨活性和晚期矿化均高于Sil@B、Sil@B/R和Sil@B/R/C。

基因表达上，Sil@B/R/C-H下调TNF-α、iNOS、CD86、IL-1β、IL-6等促炎信号，上调IL-10、CD163、TGF-β、Arg-1等M2/抗炎标志；同时上调VEGF、CD31、BMP-2、RUNX2、COL1，形成有利于成骨和血管生成的免疫微环境。

图3 四组SilMA微球的细胞存活、增殖、ALP/ARS成骨及炎症/成骨/血管基因表达

4.3 转录组揭示成骨、血管和M2调控网络

转录组分析显示，Sil@B/R/C-H与Sil@B/R、Sil@B/R/C相比具有更多差异基因。富集通路涉及黏着斑、ECM-受体相互作用、TGF-β、Wnt、PI3K-Akt、Rap1等，骨形成、血管化和M2巨噬细胞相关基因整体上调。

其中TGF-β1、Notch1、SP7等成骨相关基因，Icam1等血管相关基因，以及Arg1等M2相关基因在Sil@B/R/C-H组表达更高，支持“持续供氧+免疫调节”共同塑造再生微环境。

图4 差异基因、通路富集及成骨/血管生成/M2极化相关基因热图

4.4 小鼠颅骨缺损中新生骨、成骨标志和血管生成同步增强

在临界尺寸颅骨缺损中，Sil@B/R/C-H组4周即出现明显新生骨，8周形成致密、成熟的骨结构；BMD、BV/TV和Tb.N在各时间点均高于其他组。H&E和Masson显示其骨组织更连续、胶原沉积更丰富、纤维组织更少。

免疫组化显示OCN、OPN、RUNX2在Sil@B/R/C-H组表达最高；免疫荧光显示CD31和CD206同步升高，说明成骨、血管化和M2免疫调节在同一体系中协同发生。

图5 小鼠颅骨缺损Micro-CT、BMD/BV/TV/Tb.N及H&E/Masson评价

图6 缺损区OCN、OPN、RUNX2免疫组化及定量

图7 缺损区CD31与CD206免疫荧光及定量

4.5 皮下形成更大、更成熟的骨类器官

将微球皮下植入BALB/c小鼠8周后，Sil@B/R/C-H组形成的骨类器官体积更大、组织结构更完整；H&E显示细胞活性更高、组织排列更有序，Masson显示胶原沉积更广泛。

OPN、OCN免疫组化以及CD31、CD206免疫荧光在Sil@B/R/C-H组均显著增强，说明该体系不仅在缺损原位修复中有效，也能在异位构建具有成骨、血管化和免疫调节特征的骨类器官。

图8 皮下骨类器官形态、H&E/Masson、OPN/OCN及CD31/CD206评价

4.6 28天培养形成可移植骨类器官单元

在28天长期培养中，Sil@B组逐渐收缩、细胞稀疏；Sil@B/R/C-H组保持结构完整，细胞持续增殖，第21天活性达到较高水平。ALP从第14天明显增强，ARS矿化在第28天显著增加。

将培养28天的骨类器官单元移植到颅骨缺损后，Sil@B/R/C-H组的BMD、BV/TV更高，缺损桥接更完整；RUNX2、OCN、OPN及CD31、CD206表达也更高，证明体外构建的类器官单元在体内仍保持成骨和促血管化功能。

图9 28天培养中的形态、活/死染色、ALP和ARS成骨评价

图10 28天骨类器官单元的CT及移植后颅骨缺损修复、成骨/血管/免疫评价

5.机制路径

SilMA在这套体系中不是被动包埋材料，而是同时承担微流控成球、光交联定型、细胞/颗粒共封装、营养物质通透和可塑形组装等多重功能。CaO₂-HAp解决“氧气和矿化原料”，RAW264.7解决“免疫微环境”，BMSCs解决“成骨主体”，四者共同构成骨类器官单元。

6.常见问题 FAQ

Q1 为什么选择SilMA做骨类器官微球，而不是Matrigel或普通水凝胶？

SilMA来自丝素蛋白，具有可光交联、力学可调、营养和氧气通透性较好、降解产物相对温和等特点，适合长期细胞培养和微流控成球。Matrigel组成不明确、批间差异大、力学不足；普通水凝胶则不一定能同时满足可塑形、可光固化和多组分共封装。

本研究使用的甲基丙烯酰化丝素蛋白（SilMA）即由EFL（ Engineering for Life）提供。EFL可提供甲基丙烯酰化丝素蛋白（SilMA）水凝胶，产品型号：EFL-SilMA-001， 品质稳定，配套高效服务。

Q2 CaO₂-HAp和过氧化氢酶分别解决什么问题？

CaO₂遇水会生成H₂O₂并进一步产生O₂，但直接使用可能带来氧化应激。研究加入过氧化氢酶，将H₂O₂转化为O₂，同时用HAp包覆CaO₂，形成更平稳、更持续的氧气释放，并补充钙、磷等矿化相关离子。

Q3 这项技术距离临床骨修复还有多远？

目前仍处于小鼠颅骨缺损和皮下骨类器官验证阶段。临床转化还需要解决微球规模化制备和质量控制、细胞来源与批次一致性、长期降解和免疫安全、较大动物及承重骨模型验证，以及如何根据患者缺损形状快速、稳定地组装骨类器官单元。

7.参考资料

Deng A, Zhang H, Hu Y, et al. Microsphere Strategy to Generate Conformal Bone Organoid Units with Osteoimmunomodulation and Sustainable Oxygen Supply for Bone Regeneration. Advanced Science, 2025, e01437. DOI: 10.1002/advs.202501437.