针对上述问题，受海参多功能特性的启发，四川大学华西口腔医学院李建树教授团队构建了一种自组装可注射复合水凝胶（CG/BG/Sa），实现抗菌、免疫调节与成骨功能的级联协同。CG水凝胶基质模拟海参体腔基质，利用其固有抗菌、ROS清除及黏附性能构建初始抗菌屏障，并通过金属-多酚配位赋予体系NIR响应光热能力以快速清除细菌；Sa模拟糖蛋白层，通过CG负载持续释放，特异性结合巨噬细胞Siglec受体诱导M2极化、抑制破骨分化，同时结合血管内皮细胞受体促进血管生成；BG模拟钙质骨针，增强凝胶稳定性并持续释放Ca²⁺/PO₄³⁻促进羟基磷灰石沉积与成骨分化，且与Sa协同激活血管生成信号。三者协同构成"抗菌防御-免疫调控-成骨/血管生成"级联治疗平台，为感染性骨缺损修复提供了精准可调的多功能治疗策略。该文章于2026年2月16日以《Biomimetic hydrogel strategy inspired by sea cucumbers: Integrating antibacterial, osteoimmune, and osteogenic functions for infected bone repair》为题发表于《Biomaterials》（DOI: 10.1016/j.biomaterials.2026.124080）。

图1.CG /BG/Sa 的合成及其在感染性骨修复中的应用。受海参启发，CG 模拟“体腔基质”，提供抗菌屏障、清除活性氧 (ROS) 并持续释放 Sa。释放的 Sa 模拟“糖蛋白层”，特异性结合 Siglec 受体，诱导 M2 型巨噬细胞极化，减少局部 ROS 生成，抑制破骨细胞分化，从而构建成骨免疫微环境。BG 发挥“钙质骨针”的作用，显著增强水凝胶的结构稳定性，同时加速成骨分化，并与 Sa 协同激活血管生成信号通路。

（1）CG/BG/Sa仿生水凝胶的构建和表征

研究人员通过分步组装制备CG/BG/Sa水凝胶。首先将没食子酸接枝于壳聚糖形成CG，随后Fe³⁺与CG及Sa配位交联并掺入纳米BG颗粒。SEM显示水凝胶呈三维多孔互连网络，BG组可见颗粒沉积增强表面粗糙度（图2a）；Sa使网络致密化而BG增加孔隙异质性，二者协同形成均衡微孔结构。FTIR证实CG成功合成（C=O红移至1639.2 cm⁻¹，出现芳香环C=C峰1535.1 cm⁻¹），CG/BG/Sa中检测到BG的Si-O-Si峰（793 cm⁻¹）及Sa的酰胺N-H峰（图2b），XPS进一步验证各元素存在（图2c-d）。流变学测试表明CG/BG/Sa形成稳定交联网络，储能模量和线性粘弹区优于其他组（图2e）；该水凝胶兼具剪切变稀和自愈合特性，注射力低于30 N（图2f），压缩应力与杨氏模量较CG组分别提升1.84倍和2.55倍（图2g），并表现良好粘附性（图2h）。降解实验显示其14天质量损失32.63%（图2i），体内可维持4周；Ca²⁺突释较CG/BG组降低25.43%，7天累积释放2.04 mmol/L（图2j）。此外，NIR照射360秒后温度达43.07°C（图2k-l），光热稳定性良好；15分钟内可清除91.44% ABTS⁺•和80.96% DPPH•（图2m），略低于CG组归因于Sa/BG与酚羟基的非共价相互作用。

图2.不同水凝胶的表征。a) 不同水凝胶的扫描电镜(SEM)图像。比例尺：上图：10 μm；下图：40 μm。b) 不同水凝胶的傅里叶变换红外光谱(FTIR)。c) 不同水凝胶的X射线光电子能谱(XPS)全谱图。d) 不同水凝胶的XPS Fe 2p峰解卷积图。e) 不同水凝胶的流变学测试（频率扫描）。f) 不同水凝胶的注射力测试。g) 不同水凝胶的压缩应力。h) 不同水凝胶的粘附性测试。i) 水凝胶在模拟体液中浸泡后，在预设时间间隔内的降解曲线。j) 不同水凝胶中游离钙元素的累积释放曲线。kl) 不同水凝胶在PBS缓冲液中，近红外激光照射下的红外热成像图及其对应的温度变化曲线。m) 不同水凝胶的ABTS自由基清除能力。

（2）CG/BG/Sa的体外抗菌活性

仿生水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出显著抗菌效果，CG/BG/Sa组杀菌率超过80%，NIR照射进一步增强其抗菌性能（图3a-c）；SEM显示CG/BG引起明显膜塌陷伴胞质泄漏，CG/BG/Sa组效应更为显著，NIR照射后膜变形加剧（图3a）。针对生物膜感染，CG/BG/Sa使生物量分别减少80.77%和87.14%，SEM显示细胞外基质碎裂、菌间连接中断（图3d-f）；平板菌落计数证实其杀菌率>95%，延长共培养24小时无细菌再生，NIR照射进一步加速生物膜破坏（图3g）。结晶紫定量显示CG/BG/Sa对两种菌生物膜抑制率分别达73.05%和78.67%（图3h-j）。

图3.不同水凝胶在有/无近红外光照射下的体外抗菌活性。a) 不同水凝胶在有/无近红外光照射下对浮游状态的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌进行活/死染色后的荧光图像及其对应的扫描电镜图像。bc)浮游状态的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的活/死菌比例。d) 不同水凝胶在有/无近红外光照射下对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生物膜进行活/死染色后的荧光图像及其对应的扫描电镜图像。ef)金黄色葡萄球菌和大肠杆菌生物膜的活/死菌比例。 g) 将金黄色葡萄球菌和大肠杆菌菌落与不同水凝胶（有/无近红外光照射）孵育。hi) 对结晶紫染色的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌生物膜进行定量分析。j) 仿生水凝胶抗菌机制示意图。

（3）CG/BG/Sa的体外 ROS 清除与干细胞保护作用

CG/BG/Sa具有显著自由基清除功能，DCFH-DA检测显示其使H₂O₂诱导的细胞内ROS水平降低约68.07%（图4a-c）；4-HNE染色表明CG/BG/Sa和CG/Sa组有效缓解氧化应激，保护BMSCs免受ROS损伤（图4d-e）。细胞骨架染色显示CG/BG/Sa处理组细胞呈良好铺展的多边形形态及有序肌动蛋白网络，vinculin呈点状弥漫分布于细胞周边，维持细胞框架和黏附复合体完整性（图4f-h）。此外，CG/BG/Sa无显著细胞毒性，在H₂O₂处理后通过促进迁移、减少死亡保护干细胞活性（图4i-l）。

图4.不同水凝胶对体外活性氧（ROS）清除和干细胞保护作用。a) 荧光图像；b) 流式细胞术分析；c) DCFH-DA染色相对荧光强度d) 主图中显示4-HNE（红色）和细胞核（蓝色，DAPI）的荧光图像，插图显示F-肌动蛋白（绿色）和细胞核（蓝色，DAPI）的荧光图像。。e) 4-HNE染色相对荧光强度。f) vinculin的荧光图像。比例尺：50 μm。g) 细胞铺展面积的定量测量。h) vinculin斑块面积的定量测量。 i) 使用Transwell迁移实验进行迁移评估。j) Transwell细胞计数定量分析。k) 通过活/死细胞染色获得死细胞比例。l) 示意图，描绘了细胞对高剂量H₂O₂暴露的反应以及CG /BG/Sa水凝胶提供的保护作用。

（4）CG/BG/Sa对体外ROS诱导的DNA损伤及凋亡的预防效果

氧化应激诱导BMSCs DNA断裂，严重损伤常导致细胞凋亡。CG/BG/Sa治疗有效缓解了ROS介导的DNA损伤和凋亡：DNA/RNA损伤标志物荧光在H₂O₂组显著升高，而CG/BG/Sa组明显降低（图5a-b）；双链DNA断裂标志物γ-H2A.X磷酸化水平经CG/BG/Sa干预后降至对照组水平（图5c-e）。TUNEL染色显示CG/BG/Sa组DNA片段化信号显著低于H₂O₂组（图5f-g），流式细胞术证实其减少了晚期凋亡细胞比例（图5h-i），表明该配方可保护干细胞免于凋亡。功能学评估显示，尽管H₂O₂处理降低了ALP和ARS表达，CG/BG/Sa干预逆转了受损的成骨表型（图5j-k）。

图5.不同水凝胶对ROS诱导的DNA损伤和细胞凋亡的体外预防作用。a) DNA/RNA损伤染色荧光图像；b) DNA/RNA损伤染色荧光强度的线性分布。c) γ-H2A.X染色荧光图像；d) γ-H2A.X染色光谱图像；e) γ-H2A.X染色相对荧光强度。f) TUNEL检测的共聚焦显微镜图像。g) TUNEL染色相对荧光强度。h) Annexin V-FITC/PI标记的BMSCs的流式细胞术评估，用于研究细胞凋亡。i) 细胞处于活细胞、早期凋亡细胞、晚期凋亡细胞和坏死细胞阶段的百分比分布。j) BMSCs体外成骨分化3天后的ALP染色。 k) ALP表达的定量测定。l) CG/BG/Sa水凝胶在高ROS微环境下对细胞凋亡和成骨作用的影响示意图。

（5）CG/BG/Sa体外免疫调控与巨噬细胞活化作用

CG/BG/Sa通过高效ROS清除促进巨噬细胞M2极化：DCFH-DA和4-HNE检测显示其显著降低LPS诱导的巨噬细胞内ROS水平（图6a-e）；形态学分析显示水凝胶处理促进细胞向M2相关的elongated、伪足样结构转变（图6f）；免疫荧光显示CG/BG/Sa组CD206表达显著增强而iNOS降低，流式细胞术证实M2巨噬细胞比例较LPS组增加约1.62倍（图6g-i）。qRT-PCR和Western blot显示水凝胶组M1标志物（TNF-α、iNOS、CD86）表达降低，M2标志物（IL-4R、Arg-1、CD163、CD206）表达升高（图6j-k），机制上可能通过上调siglec-E、下调siglec-15实现。该水凝胶对巨噬细胞无显著毒性且不影响其迁移，有效建立有利于骨再生的免疫微环境（图6l）。

图6.不同水凝胶对体外免疫调节和巨噬细胞活化的影响。a) 荧光图像；b) 流式细胞术；c) RAW 264.7细胞中DCFH-DA染色的相对荧光强度。d) 4-HNE的荧光图像（红色：4-HNE，绿色：F-肌动蛋白，蓝色：DAPI）。e) 4-HNE染色的相对荧光强度。f) RAW 264.7细胞的细胞骨架染色图像。g) iNOS和CD206的荧光图像（红色：iNOS，绿色：CD206，蓝色：DAPI）。h) iNOS和CD206染色的相对荧光强度。 i) RAW 264.7细胞中M2巨噬细胞的流式细胞术分析。j) M1/促炎标志物（TNF- α和iNOS）和M2/抗炎标志物（IL-4R和Arg-1）基因表达的QRT-PCR分析。k) M1/促炎标志物（iNOS和CD86）和M2/抗炎标志物（CD163和CD206）基因表达的Western blot分析。l) LPS刺激下CG/BG/Sa水凝胶对免疫调节和巨噬细胞活化的影响示意图。

（6）CG/BG/Sa 体外成骨与血管生成性能

CG/BG/Sa显著促进BMSCs成骨分化：ALP活性检测显示14天该组活性最高，ARS染色显示21天钙结节沉积最密集（图7a-d）；免疫荧光和Western blot证实该组Col1A1、OPN、ALP和RUNX2蛋白表达显著升高（图7e-f, i），qRT-PCR显示ALP、RUNX2、BMP-2和OCN转录本时间依赖性增加且表达量始终最高（图7k）。血管生成方面，管腔形成实验显示CG/BG/Sa组HUVECs在12小时内形成广泛血管样网络，分支点数量显著增加（图7g-h）；Western blot显示AKT、p-AKT、HIF-1α和VEGFR表达升高，qRT-PCR证实PDGFA、αSMA、VEGF-A和HIF-1α等血管生成基因持续上调（图7j-k），表明其通过AKT/HIF-1α/VEGF机制激活促血管生成信号。综上，CG/BG/Sa协同增强成骨分化和血管生成活性，为骨修复创造有利环境（图7l）。

图7.不同水凝胶的体外成骨和成血管特性。a) 培养 14 天后 BMSCs 中 ALP 染色的概览图和显微镜图像。b) ALP 染色的定量测量。c) 培养 21 天后 BMSCs 中 ARS 染色的概览图和显微镜图像。d) ARS 染色的定量测量。e) 处理 7 天后 BMSCs 中 Col1A1 的荧光图像（红色：Col1A1，绿色：F-肌动蛋白，蓝色：DAPI）。f) Col1A1 染色的相对荧光强度。g) 培养 12 小时后 HUVECs 中内皮细胞网络形成的荧光图像。h) 内皮细胞网络分支点的定量测量。i) 与 CG 组相比，CG/BG/Sa 组中上调和下调基因的火山图 (|log2FC| > 1；p < 0.05)。j) 与成骨过程相关的差异表达基因 (DEG) 的热图。k) 上调差异表达基因的 GO 富集分析。l) 上调差异表达基因的 KEGG 富集分析。m) CG/BG/Sa 组和 CG 组中 PPAR 信号通路的 GSEA 图。n) CG/BG/Sa 组和 CG 组中 Toll 样信号通路的 GSEA 图。o) CG/BG/Sa 调控成骨和血管生成反应的示意图。

CG/BG/Sa与CG水凝胶处理的BMSCs RNA测序比较显示：火山图筛选出1,804个显著差异基因（978个上调、826个下调）（图8a）；PCA分析显示两组聚类明显分离（图8b），热图显示CG/BG/Sa显著增强成骨相关基因表达（图8c）。GO富集分析显示下调基因富集于"缺氧反应"和"炎症反应"，上调基因富集于细胞黏附、迁移、成骨细胞分化和骨矿化通路（图8d-e）。KEGG通路分析表明其通过抑制Toll样受体和TNF等促炎通路，同时激活PI3K-Akt、MAPK和PPAR信号通路实现上述效应（图8f-g），GSEA进一步证实CG/BG/Sa组上调PPAR信号通路、下调Toll样受体通路（图8h-i）。

图8.不同水凝胶对成骨机制影响的RNA转录组分析。a) CG/BG/Sa组与CG组相比上调和下调基因的火山图（|log2FC| > 1；p < 0.05）。b) CG组和CG/BG/Sa组转录组谱的PCA分析。c) 与成骨过程相关的差异表达基因（DEGs）的热图。d) 下调DEGs的GO富集分析。e) 上调DEGs的GO富集分析。f) 下调DEGs的KEGG富集分析。g) 上调DEGs的KEGG富集分析。h) CG/BG/Sa组和CG组PPAR信号通路的GSEA图。i) CG/BG/Sa组和CG组Toll样信号通路的GSEA图。

（7）CG/BG/Sa在体内抗感染与骨再生性能评估

仿生水凝胶在大鼠感染性股骨缺损模型中表现出显著的体内修复功效：CG/BG/Sa水凝胶具有功率密度依赖性光热行为，150秒内温度从34.7°C升至43.0°C，300秒达43.8°C后趋于稳定（图9b-d）。术后2、4、8周评估显示CG/BG/Sa组呈现渐进性骨修复，8周后接近完全闭合，CG/BG/Sa⁺NIR组闭合速度更快（图9e）；Micro-CT显示CG/BG/Sa组再生骨量最大，BV/TV、Tb.N、Tb.Th显著增高，Tb.Sp明显降低，BV/TV值较CG组高1.80倍，CG/BG/Sa⁺NIR组骨微结构进一步改善（图9f-j）。体内抗菌评估显示CG/BG/Sa组4天后金黄色葡萄球菌菌落数显著减少，CG/BG/Sa⁺NIR组细菌负荷最低；Gram染色和H&E染色显示CG/BG/Sa⁺NIR组7天后无可见细菌结构，炎症浸润缓解（图9k-l）。

图9.不同水凝胶在有/无近红外光照射下对感染性股骨缺损的体内骨再生效果。a) 将水凝胶植入 Sprague-Dawley 大鼠感染性股骨缺损的手术过程。b) 在不同功率密度（λ = 808 nm，1.0、2.0 和 3.0 W cm⁻²）激光照射下，股骨缺损处水凝胶的温度变化。c )照射区域峰值温度的红外热图。d) 在 2.0 W cm⁻² 功率密度下，808 nm 激光照射下植入物的温度随时间变化曲线。e ) 植入不同水凝胶（有/无近红外光照射）后 2、4 和 8 周的股骨组织图像。f) 三维微型 CT 重建的正面和横断面图像，缺损区域以红色标记。图 1 为术后 4 周和 8 周骨隧道中心 2.5 mm 区域的代表性 3D 图像。比例尺：4 mm。定量测量不同水凝胶在缺损部位（有/无近红外光照射）的 g) 骨体积/组织体积比 (BV/TV)、h) 骨小梁数量 (Tb. N)、i) 骨小梁厚度 (Tb. Th) 和 j) 骨小梁间距 (Tb. Sp)。k) 为植入不同水凝胶（有/无近红外光照射）后 4 天的体内抗感染评估及细菌定植的代表性图像。l) 为示意图，展示了 CG/BG/Sa 水凝胶在消除细菌、清除活性氧 (ROS) 和促进骨形成方面的作用。

H&E染色显示CG组4周时缺损主要由纤维组织和炎性结节占据，8周仅见少量未成熟骨；CG/BG/Sa组4周即出现大量矿化骨沉积，8周缺损几乎被再生骨填充并与宿主骨形成牢固连接，NIR照射进一步增强该过程（图10a）。Masson三色染色显示CG/BG/Sa组产生丰富胶原骨并与宿主组织无缝融合，染色由蓝转红提示基质成熟，CG/BG/Sa⁺NIR组更为显著（图10b）。免疫荧光显示CG/BG/Sa组4周和8周新生骨区OCN和Col1A1表达最强，定量分析证实OCN阳性区域显著大于对照组且缺损尺寸减小，CG/BG/Sa⁺NIR组成骨活性进一步提升（图10c-h）。综上，该仿生水凝胶不仅抑制早期感染，还促进 robust 骨再生和骨基质成熟。

图10.不同水凝胶在有/无近红外光照射下对体内骨形成的组织学评价。a) 植入后 4 周和 8 周，不同放大倍数下植入部位的 H&E 染色图像；b) Masson 三色染色图像。F，纤维结缔组织；NB，新形成的骨组织。c) 术后 4 周和 8 周 OCN 的荧光图像（绿色：OCN，蓝色：DAPI）。d) 术后 4 周和 8 周 Col1A1 的荧光图像（红色：Col1A1，蓝色：DAPI）。e) 术后 4 周 OCN 荧光强度的定量测量（n = 8）。 f) 术后8周OCN荧光强度的定量测量。g) 术后4周Col1A1荧光强度的定量测量。h) 术后8周Col1A1荧光强度的定量测量。

（8）CG/BG/Sa对成骨微环境形成的体内免疫调控效应

CG/BG/Sa水凝胶通过免疫调节建立有利成骨微环境：免疫荧光显示CG组缺损区iNOS阳性细胞丰富而CD163阳性细胞稀少，CG/BG/Sa组CD163阳性细胞显著增加伴iNOS表达降低，该转变在CG/BG/Sa⁺NIR组进一步增强（图11a-b, e），表明其有效将炎症微环境调控为M2主导修复表型。血管生成评估显示CG/BG/Sa组CD31表达最显著，CG/BG/Sa⁺NIR组进一步增强，定量分析证实该组CD31阳性区域显著大于其他组（图11c, f）。TRAP染色显示CG/BG/Sa组TRAP阳性破骨细胞显著减少，CG/BG/Sa⁺NIR组最少（图11d, g），提示其降低破骨细胞活性。综上，CG/BG/Sa水凝胶通过协同激活成骨和血管生成通路同时抑制破骨吸收，加速骨再生。

图11.不同水凝胶在有/无近红外光照射下对成骨微环境形成的体内免疫调节功效。a) 术后8周iNOS的荧光图像（绿色：CD68，红色：iNOS，蓝色：DAPI）。b) 术后8周CD163的荧光图像（绿色：CD68，红色：CD163，蓝色：DAPI）。c) 术后4周和8周CD31的荧光图像（绿色：CD31，蓝色：DAPI）。d) 术后4周和8周破骨细胞的TRAP染色。e) 术后4周和8周定量测量iNOS阳性巨噬细胞（M1表型）和CD163阳性巨噬细胞（M2表型）的百分比。f) 术后4周和8周定量测量CD31荧光面积。g) 术后4周和8周定量测量TRAP阳性破骨细胞数量。