广州医科大学李平教授携手南方医科大学杨志禄研究员及张文泰副研究员合作揭示骨—植入体界面的材料特异性与细胞通讯差异，为氧化锆植入体免疫调控界面设计提供新靶点

研究背景

氧化锆因美观性、生物相容性和减少金属离子释放等优势，被视为钛植入物的重要替代材料。然而，氧化锆植入物的骨整合能力通常仍低于钛，限制了其在骨植入和口腔种植中的进一步优化。发表在 Research 的一项研究通过单细胞RNA测序解析骨—植入体界面的早期免疫微环境，发现钛和氧化锆在植入后会诱导两种截然不同的细胞通讯模式：钛更倾向于形成促成骨微环境，而氧化锆更容易引发纤维炎症性反应。

骨整合是植入物长期稳定的基础，指骨组织能够直接与植入物表面形成稳定结合，而不是被纤维组织隔开。过去，人们常从表面粗糙度、亲水性、蛋白吸附和成骨细胞行为等角度解释不同材料的骨整合差异。但植入物进入体内后，最早参与反应的不只是成骨细胞，还包括免疫细胞、成纤维细胞、基质细胞和骨髓内多种祖细胞。它们构成的早期免疫微环境，会影响炎症能否及时消退、细胞外基质如何重塑以及新骨形成是否顺利推进。

研究进展

广州医科大学研究团队建立大鼠股骨髓腔植入模型，并在植入后三天采集植入物周围骨髓细胞进行分析。材料表征显示，钛和氧化锆在表面粗糙度方面没有显著差异，且两者均表现出较好的细胞相容性；但氧化锆表面接触角更高，提示亲水性相对较低，同时蛋白吸附水平更高。这说明两种材料即便在基本相容性相近的情况下，仍可能因界面性质差异诱发不同组织反应。

单细胞分析共获得 66,159 个高质量骨髓细胞，并识别出 19 个细胞簇。结果显示，钛植入后的骨髓细胞组成更接近对照状态，主要表现为淋巴细胞减少和干/祖细胞增加，提示其有利于维持早期修复环境。相较之下，氧化锆植入后细胞组成变化更明显，淋巴细胞和红系细胞比例升高，干细胞比例下降，提示局部组织更容易进入免疫炎症反应，而不是直接转向成骨修复。

进一步机制分析揭示，钛植入物主要激活成纤维细胞相关的 COL1A1/SDC1 信号轴。该轴与细胞外基质重塑、细胞迁移、黏附和转化生长因子β信号有关，并伴随成骨相关分子表达升高。也就是说，钛的优势可能不仅来自“被动相容”，还来自其对早期成纤维细胞功能和修复生态位的主动调节，从而促进干/祖细胞保留和早期成骨环境形成。

氧化锆则呈现另一种免疫—基质细胞互作模式。研究发现，氧化锆组中成纤维细胞是主要信号发送者，巨噬细胞是主要信号接收者，二者之间以 COL6A2/CD44 为核心形成强互作。相关空间和分子验证进一步支持这一轴线与巨噬细胞炎症激活有关。氧化锆组中炎症型巨噬细胞标志物 NOS2 上调，免疫炎症相关基因和蛋白也明显增强；而钛组则表现出更高水平的成骨相关基因和蛋白表达。这些结果共同说明，氧化锆早期骨整合不足可能与其诱导的纤维炎症性微环境有关。

这项研究的意义在于，将氧化锆骨整合不足的问题从“材料性能差异”推进到“早期免疫调控机制”层面。对于未来植入物设计而言，优化氧化锆不应只关注强度、美观性或一般生物相容性，还需要考虑材料如何调节成纤维细胞、巨噬细胞和干/祖细胞之间的通讯。COL6A2/CD44 轴可能成为降低局部促炎反应、改善氧化锆生物界面的重要靶点，而 COL1A1/SDC1 轴也为理解钛材料促成骨优势提供了新的机制线索。

未来展望

该研究仍处于动物模型和早期植入阶段。植入后三天的骨髓微环境能够揭示后续修复轨迹的起点，但还不能直接代表长期骨整合结果。未来仍需在更长时间尺度、更接近临床场景的模型中，结合遗传干预和组织形态学验证，确认这些信号轴是否能够真正改善氧化锆植入物的长期稳定性和成骨表现。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.1162