在现代医学中，感染性骨损伤的修复一直是临床面临的重大挑战。感染性骨损伤的微环境极其复杂，其主要特征包括由细菌入侵引起的炎症反应、骨代谢失衡以及高浓度的活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）。在临床实践中，骨骨折术后感染的发生率约为 5%，不仅会导致骨折长期不愈合，还会引发骨髓炎等严重疾病。传统的抗生素治疗已难以应对日益严重的细菌耐药性问题，且单一的杀菌方法无法满足骨修复所需的多种因素，如细胞数量、成骨分化和血管化。因此，开发一种能够同时具备抗菌、成骨和血管生成功能的理想材料，对于感染性骨缺损的修复具有重要意义。

近期，一项最新的研究成果为我们带来了曙光。由苏州大学韩凤选/李斌、北京大学张铭团队组成的科研团队在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了一篇题为 “Small Dots, Multiple Functions”: Unveiling the Veil of a Bioactive Quercetin Carbon Dot and Its Multifaceted Antibacterial and Osteogenesis Mechanisms for Infectious Bone Defect Repair 的研究论文，提出了一种基于槲皮素碳点（Quercetin Carbon Dots, QCDs）的复合水凝胶，为感染性骨缺损的修复提供了创新的解决方案。

图1 论文首页

复合水凝胶对感染性骨损伤微环境的调控作用

感染性骨损伤微环境中，ROS 水平显著升高，这不仅会加剧炎症反应，还会抑制骨再生。研究人员通过在体内进行 ROS 成像实验发现，损伤部位的 ROS 水平高于正常组织，而金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）的存在会使 ROS 水平进一步增加。为了应对这种异常升高的 ROS，研究人员构建了一种能够智能响应并改善微环境的复合水凝胶。他们首先通过简单的水热反应将槲皮素制备成 QCDs，其直径约为 5 nm。QCDs 保留了槲皮素的部分化学结构，具有良好的生物相容性，并且能够通过其表面的儿茶酚结构与苯硼酸形成动态硼酸键。这种复合水凝胶在过氧化氢（H₂O₂）存在时能够释放 QCDs，从而有效清除过量的 ROS。实验结果表明，该复合水凝胶能够显著降低感染性骨损伤微环境中的 ROS 水平，为骨修复创造了更有利的条件。

图2 复合水凝胶对感染性骨损伤微环境的调控作用 

复合水凝胶的体内抗菌性能

在临床实践中，S. aureus 是一种难以治愈的细菌，常导致骨愈合困难。研究人员将复合水凝胶植入感染性股骨髁缺损模型中，评估其体内抗菌效果。结果显示，感染组在术后 1 周和 2 周时骨缺损处出现明显的脓肿，而复合水凝胶组则未见脓腔形成。通过细菌平板计数实验，研究人员发现感染组骨缺损处仍有大量细菌存在，而复合水凝胶组的细菌数量显著减少，术后 2 周几乎无存活细菌。免疫荧光染色结果也证实了复合水凝胶组骨缺损处无存活细菌，表明该复合水凝胶具有卓越的体内抗菌能力。

图3 复合水凝胶的体内抗菌性能 

复合水凝胶的体外抗菌性能及作用机制

研究人员深入研究了复合水凝胶的体外抗菌机制。实验表明，随着 QCDs 浓度的增加，复合水凝胶的抗菌能力逐渐增强。与对照组和未添加 QCDs 的水凝胶组相比，复合水凝胶组在 24 小时内能够消灭约 97% 的细菌。扫描电子显微镜（SEM）观察结果显示，复合水凝胶处理后的细菌膜出现显著损伤，大部分细菌破裂。通过 RNA 测序（RNA-seq）分析，研究人员发现与细菌氨基酸和蛋白质代谢、ATP 结合以及代谢相关的基因在复合水凝胶处理后表达发生显著变化。KEGG 通路分析进一步证实了这些基因在多种氨基酸生物合成和磷酸转移酶系统（PTS）中的富集。关键基因如 phoP、secA2 和 dapE 的表达显著下调，这些基因分别与细菌的氨基酸和蛋白质代谢、细胞壁合成以及能量代谢相关。研究人员还通过 ATP 测定实验验证了复合水凝胶对细菌能量代谢的干扰作用，发现处理后细菌的 ATP 含量显著降低。这些结果表明，QCDs 通过破坏细菌细胞壁、抑制药物抗性发展以及干扰能量代谢来发挥抗菌作用。

图4 复合水凝胶的体外抗菌性能及作用机制 

复合水凝胶的体外促成骨性能

研究人员通过碱性磷酸酶（ALP）染色和茜素红染色评估了复合水凝胶的体外成骨能力。实验结果显示，与对照组和其他水凝胶组相比，复合水凝胶组的 ALP 阳性细胞数量和细胞外基质（ECM）矿化程度更高。此外，复合水凝胶组在 ALP 和茜素红染色方面均优于其他组。Western blotting 和实时定量 PCR（qRT-PCR）结果进一步证实了复合水凝胶能够显著促进成骨相关蛋白和基因的表达，包括 ALP、OPN、COL1 和 OCN 等。这些结果表明，复合水凝胶能够有效促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化。

图5 复合水凝胶的体外促成骨性能 

复合水凝胶的体内骨修复效果

研究人员将复合水凝胶植入大鼠股骨髁缺损模型中，以评估其体内骨修复效果。微计算机断层扫描（Micro-CT）结果显示，感染组和未添加 QCDs 的水凝胶组在术后 4 周和 8 周时仍存在显著骨缺损，而复合水凝胶组则显示出大量的新骨形成。与正常组相比，复合水凝胶组的骨体积/组织体积（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb.Th）和骨小梁数量（Tb.N）显著增加，而骨小梁间距（Tb.Sp）显著减少。苏木精 - 伊红（H&E）染色结果表明，复合水凝胶组再生的新骨量显著多于其他组。此外，Masson 三色染色结果也证实了复合水凝胶组的成熟骨形成更多。这些结果表明，复合水凝胶能够显著促进感染性骨损伤的修复。

图6 复合水凝胶的体内骨修复效果 

复合水凝胶促成骨作用机制探究

为了深入探究复合水凝胶的促成骨机制，研究人员对 BMSCs 进行了转录组分析。分析结果显示，与未添加 QCDs 的水凝胶组相比，复合水凝胶组在成骨、血管生成、代谢和抗氧化相关基因的表达上显著更高。通过与诱导组、水凝胶组、槲皮素组和复合水凝胶组的比较分析，研究人员发现复合水凝胶能够显著激活 Rap1 信号通路。Rap1 信号通路在细胞增殖、黏附、迁移以及成骨分化中起着关键作用。Western blotting 和免疫荧光染色结果进一步证实了复合水凝胶能够促进 Rap1 信号通路中关键蛋白的表达，如 RTK 和 Rap1。此外，研究人员还发现复合水凝胶能够促进 β-catenin 转位至细胞核，从而激活 Wnt 信号通路，促进成骨分化。通过抑制 Rap1 信号通路，研究人员观察到成骨相关蛋白的表达显著降低，进一步证实了复合水凝胶通过激活 Rap1 信号通路来促进骨修复。

图7 复合水凝胶促成骨作用机制探究

QCDs 与 RTKs 的相互作用

转录组结果提示，受体酪氨酸激酶（RTKs）可能是 QCDs 的潜在靶点。研究人员通过分子对接实验发现，QCDs 与纤维细胞生长因子受体（FGFR，一种 RTKs 家族成员）具有多个结合位点，其中位点③的结合能最低，结构最稳定。QCDs 与 FGFR 的氨基酸残基形成了多组氢键和疏水相互作用。细胞热位移分析（CETSA）结果进一步证实了 QCDs 能够与 RTKs 结合，提高其热稳定性。这些结果表明，QCDs 通过与 RTKs 结合并改变其构象，激活 Rap1 信号通路，从而发挥其生物学效应。

图8 QCDs与RTKs的相互作用

小结

本研究成功开发了一种基于槲皮素碳点的复合水凝胶，该水凝胶不仅具有抗菌、清除 ROS、促进血管生成和成骨的多重功能，还揭示了其化学结构和作用机制。QCDs 能够通过抑制细菌基因表达、破坏细菌细胞壁、干扰能量代谢来发挥抗菌作用，同时激活 Rap1 信号通路，促进骨髓间充质干细胞的成骨分化和血管生成，为感染性骨缺损的修复提供了新的策略。未来的研究将进一步优化 QCDs 的大规模生产、全面评估其生物安全性，并在大型动物模型中验证其有效性，以推动其临床应用。 

参考文献：

Q. Chen, J. Ma, S. Yu, Y. Su, H. Guo, H. Jiang, H. He, J. Hu, Y. Liu, L. Yao, B. Meng, Z. Yuan, W. Shu, L. Wang, H. Mao, M. Zhang, B. Li, F. Han, “Small Dots, Multiple Functions”: Unveiling the Veil of a Bioactive Quercetin Carbon Dot and Its Multifaceted Antibacterial and Osteogenesis Mechanisms for Infectious Bone Defect Repair. Adv. Funct. Mater. 2025, 2507840. https://doi.org/10.1002/adfm.202507840

Tags： 颠覆性创新！苏州大学和北京大学联合发布：中药新型槲皮素碳点抗菌、成骨双效合一，攻克感染性骨缺损难题！