植入物相关感染会减少间充质干细胞在植入部位的聚集，同时抑制这类干细胞的活性及其成骨分化能力。

2026年3月28日，中国科技大学朱晨、柏家祥及潘国庆共同通讯在Advanced Materials 在线发表题为“Immune and Stem Cell-Mediated Bactericidal Amplification and Bone Remodeling for Infection Clearance and Osteointegration”的研究论文。该研究表明，pH响应型生物材料界面可利用感染引发的酸性微环境，实现抗菌作用与干细胞、免疫细胞功能重编程的协同调控。

该体系能够释放杀菌肽以直接清除细菌；而在镁离子与细胞靶向肽的共同作用下，可实现间接抗菌效果增强，其中镁离子正向调控免疫应答，细胞靶向肽则可募集骨髓间充质干细胞。上述特性使植入物界面发生高效成骨分化，在大鼠感染模型中，界面骨量提升幅度达280%。转录组学分析结果显示，Wnt通路激活的干细胞与交替活化巨噬细胞可共同上调抗菌效应程序及成骨相关基因表达，通过材料介导与细胞介导的联合抑菌作用，使细菌数量降低4个数量级以上。感染清除与界面再生的协同实现表明，感染响应型生物材料可将内源性细胞转化为兼具双重功能的治疗介质，为将感染控制与组织再生作为整合生物学过程进行协同处理提供了新策略。

植入物相关感染可影响高达20%的骨科翻修手术，每年发生数十万例病例，造成超过50亿美元的医疗经济负担。其病理生理机制是由细菌在植入物表面定植所启动的破坏性级联反应，细菌可迅速形成生物膜，保护病原菌免受机体免疫清除。生物膜的形成会引发过度炎症反应，在破坏周围骨组织的同时，将骨骼再生的主要功能细胞骨髓间充质干细胞（BMSC）排斥在感染部位之外。由此形成恶性循环，宿主炎症反应虽能有效对抗细菌，却同时破坏骨组织，并形成不利于骨髓间充质干细胞定植的微环境，阻碍组织再生，最终导致修复失败。
上述破坏性级联反应通过相互关联的机制抑制机体再生应答。细菌内毒素可诱导M1型巨噬细胞过度募集，形成以促炎细胞因子（肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1β）分泌和组织酸化为特征的炎症微环境。这种恶劣微环境对骨髓间充质干细胞产生双重不利影响：趋化因子梯度形成的排斥作用主动将干细胞阻隔于感染部位之外；而促炎细胞因子则直接抑制干细胞迁移，并对抵达植入界面的干细胞产生成骨分化抑制作用。尤为关键的是，即便细菌被清除后，骨髓间充质干细胞的功能障碍仍持续存在，炎症记忆会使干细胞持续处于失活状态，阻碍骨整合发生。骨髓间充质干细胞的持续排斥与功能障碍，是解决植入物相关感染的核心障碍：承担组织再生功能的关键细胞，在最需要其发挥作用的部位被系统性排斥并失活。

图1 免疫和干细胞介导的杀菌扩增及骨骼重塑，用于感染清除和骨整合（摘自Advanced Materials ）

传统治疗策略将骨髓间充质干细胞视为需要被保护的脆弱细胞，多通过抗菌涂层与免疫调节剂中和恶劣微环境。近年来，时序性药物递送系统、可促使巨噬细胞向促再生表型极化的免疫调控涂层，以及整合抗菌与细胞黏附信号的复合支架等创新技术，已实现感染清除与组织再生的时序协同。然而，这类策略本质上仍属于补偿性方案，通过外源性治疗药物弥补细胞功能缺失，募集的骨髓间充质干细胞仅被动响应外源信号。外源性因子存在固有缺陷，如在炎症环境中快速降解、脱靶效应，以及难以克服干细胞经炎症刺激后产生的内源性功能障碍。与之不同的新调控理念，是不再将骨髓间充质干细胞视为需要环境调控的组织，而是将其作为可重编程的效应细胞，通过靶向胞内信号通路激活其潜在治疗功能。

近期肠道上皮相关研究表明，组织驻留干细胞可通过Wnt/β-连环蛋白通路激活，协同调控组织再生与抗菌防御，同时驱动增殖相关与抗菌效应分子的表达。若骨髓间充质干细胞具备类似的潜在调控程序，治疗理念便可从保护脆弱细胞转变为将其激活为兼具双重功能的效应细胞。生物材料无需递送药物以弥补功能缺失，而是作为“细胞重编程介质”，募集内源性干细胞并触发协同信号通路，激活其潜在功能。经重编程的骨髓间充质干细胞可自主执行双重功能：通过分泌抗菌效应分子清除细菌，同时完成骨组织重建，将感染控制与再生修复整合为统一的生物学应答。这种主动调控策略优先激活内源性再生系统，而非依赖外源性因子，有望克服药物降解问题，并充分利用干细胞的适应性特征。

图2 智能仿生pH响应多功能涂层系统的设计与表征（摘自Advanced Materials ）

该研究构建了一种仿贻贝金属–酚配位涂层，整合三类功能组分：通过整合素介导黏附作用捕获骨髓间充质干细胞的多巴偶联募集肽；可激活抗菌程序并促使巨噬细胞向再生表型极化的镁离子；以及具备抗菌活性的多巴偶联蜂毒肽。各组分通过邻苯二酚–镁离子配位键自组装，在钛材表面形成一体化网络结构。尤为关键的是，以组织酸化为特征的感染微环境可触发配位键解离，启动适配病理生理状态的治疗应答。募集的骨髓间充质干细胞发生双重功能重编程，激活内源性抗菌程序并分泌杀菌效应分子，实现细菌多数量级的降低，同时完成成骨分化。在大鼠股骨感染模型中，该体系实现了生物膜清除、免疫调控与骨组织再生。上述结果证实，生物材料可作为细胞重编程介质，激活干细胞潜在治疗程序，实现感染清除与组织再生的协同调控。

参考消息：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.72941