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骨头断了能长好，靠的不只是一块骨头——骨头外面还紧紧包着一层薄薄的骨膜。2026 年，中国科学院上海硅酸盐研究所、浙江大学、南京大学团队在 Advanced Materials 发表了一项研究：用3D 生物打印把「带细胞的骨膜」和「仿哈弗斯骨」组装成一个整体，在兔子的长段骨缺损上同时修复了骨膜和骨干。

论文的核心发现有点反直觉——决定成败的，是纳米颗粒表面那条「曲率曲线」。

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01 骨头不是一块实心砖，它是「三件套」

论文开篇用一句话概括了骨组织的结构：从外到内依次是——外层包着的骨膜，中间致密、带哈弗斯管道的皮质骨，以及内部疏松多孔的松质骨。

骨头的稳定和力学性能，需要这三部分协同工作。而其中最容易被忽略的，恰恰是最外层那层膜。

论文对骨膜的定义写得很清楚：它不是一层简单的「包装纸」，而是一层带丰富神经血管网络的、含细胞的结缔组织膜。在骨再生过程中，骨膜通过向损伤部位递送再生细胞、生物因子和营养，深刻影响着皮质骨与松质骨的重塑。

问题就出在这里。论文指出，传统的骨组织工程支架几乎都在做同一件事：重建矿化的皮质骨和松质骨，以维持力学强度与生物活性，而忽略了与功能性骨膜的整合。虽然近些年也出现了一些「仿骨膜支架」，但论文的判断是：它们大多只模仿了骨膜的物理性质，而不是生物学功能。而且骨干与骨膜在物理和生物学性质上差异悬殊，这本身就给「一体化支架」的设计带来了很大约束。

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02 不用生长因子，改用「两种离子」

要做出「生物功能型」骨膜，关键在于激活骨膜里那类最核心的细胞。

论文把骨膜细胞（periosteal cells，PCs）定位为骨膜中的主要细胞群，具有间充质多能性：它们在软骨内成骨过程中可以分化为软骨细胞，同时能分泌多种生物活性因子参与神经与血管生成。论文的措辞很直接——骨膜的功能，源自其内在细胞对微环境的自主响应。

那怎么「唤醒」这些细胞？论文回顾了过去的做法：用生长因子（如 BMP-2、VEGF）去刺激骨膜细胞。但这条路有两个绕不开的坎——生物活性单一，难以还原天然骨膜的功能完整性；以及长期安全性顾虑。

研究团队换了一条路，转向硅酸盐类无机材料。论文给出的理由是：这类材料组成和结构可调，能稳定释放多种离子，在多个层面引导细胞行为与组织再生。具体选的是锌硅酸盐——它释放的 Zn²⁺ 与 SiO₃²⁻ 两种离子，已有研究报道可促进多种组织中的神经与血管长入，并在骨修复过程中参与骨软骨谱系分化。

不过论文也坦率承认：Zn²⁺ 或 SiO₃²⁻ 对骨膜细胞的直接证据此前十分有限。这构成了这项研究要回答的科学问题之一。

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03 三种「曲率」的纳米棒：长得不一样，活性差很多

这是这篇论文最有意思的设计。团队用水热法合成了锌硅酸盐纳米棒（ZS），而唯一的变量是——加入的氢氧化钠浓度（1 M、2 M、2.5 M）。

没想到，这一个变量让纳米棒长出了三种完全不同的形貌。论文用「曲率连续性」来描述它们的差别：

论文用透射电镜（TEM）和元素面扫确认了三者的形貌差异与 Zn、Si 分布；高分辨透射电镜（HR-TEM）观察到三种纳米棒的晶格条纹间距均与 Zn₂SiO₄（硅锌矿）(113) 晶面的 d 间距吻合，表明三者物相相同、均沿 (113) 晶面择优生长。也就是说，它们的差别不在「成分」，而在「形状」。

然后是关键的筛选实验。团队先把 ZS-A 按不同浓度（相对于 GelMA 泡沫的 0%、2%、4%、8%）加进墨水，在 14 天培养中观察骨膜细胞的表现：

• 各组细胞活率在 14 天内均保持在 85% 以上，其中 GP-8ZS-A 组数值最低；
• 0%、2%、4% 组的细胞能够铺展、迁移，最终形成广泛的肌动蛋白丝网络；
• 而 8% 组的细胞始终呈圆形、细胞覆盖面积仅接近 1%，论文判断该浓度可能存在细胞毒性。

因此，为了在生物相容性和生物活性之间取得平衡，论文最终选定 4% 作为后续研究的代表性浓度。同时，实验也验证了 GP-ZS-A 在 14 天培养中能够持续释放 Zn²⁺ 与 SiO₃²⁻ 离子。

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04 骨膜该有的功能，它自己「长」出来了

接下来是验证环节：把含有三种 ZS 的工程化骨膜培养 14 天，看它有没有长出天然骨膜该有的三个核心能力——骨膜基质合成、神经血管因子分泌、成软骨潜能。

第一项：骨膜基质蛋白 periostin

论文把 periostin（骨膜蛋白）称为「核心骨膜基质蛋白」，它对骨膜重建骨膜细胞池、促进愈合是必需的。结果显示：GP-ZS-A 与 GP-ZS-S 两组的基因表达显著升高，相对 GP 组增加约 50%；蛋白水平同样更高。而意外的是——GP-ZS-G 组与 GP 组在基因和蛋白层面都没有显著差异。

第二项：神经血管因子分泌

ELISA 检测显示，GP-ZS-A 组的骨膜细胞分泌了所有组中最高水平的神经生长因子（NGF）和血管内皮生长因子（VEGF）。论文同时指出，GP-ZS-G 和 GP-ZS-S 组在 VEGF 分泌上也略有优势，但这一优势在 NGF 上并未出现。

第三项：成软骨潜能

在成软骨诱导条件下，GP-ZS-A 与 GP-ZS-S 组的 SOX9、COL2、ACAN 三个经典成软骨基因表达都显著高于 GP 组；而 GP-ZS-G 组只有 ACAN 显著上调，SOX9 和 COL2 与 GP 组无显著差异。更进一步的免疫荧光定量显示，GP-ZS-A 组的 COL2 表达接近 GP 组的 3 倍、ACAN 接近 2 倍。

论文还在活体层面做了一次「预验证」：把封装了 PKH67 标记骨膜细胞的工程化骨膜植入裸鼠皮下。植入后第 14 天，各组都已与周围宿主组织完全整合、整体尺寸无明显变化。共定位分析显示，部分 periostin 信号来自 PKH67 标记的骨膜细胞，而且GP-ZS-A 组中标记阳性的骨膜细胞表达的 periostin 多于其他组，提示 ZS-A 能够激活工程化骨膜中植入细胞的 periostin 合成。

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05 为什么「弯得更急」反而更活跃？

到这里出现了一个耐人寻味的现象：三种 ZS 释放的离子种类相同，为什么活性差异这么大？论文的答案，落在细胞怎么把纳米棒「吞」进去这件事上。

团队用粗粒化分子动力学模拟，重现了三种纳米棒被细胞膜包裹（内吞）的全过程。论文给出的完全包裹时的膜弯曲能是：

也就是说，从纯力学角度看，ZS-G 被完全包裹所需的弹性代价最小，而更长的 ZS-S 需要的膜弯曲代价最大。

但实验结果恰恰相反：膜弯曲能垒最小的 ZS-G，生物活性反而最弱。更有意思的是，论文的定量数据揭示了完整的反差链条——FITC 标记实验显示，ZS-G 被细胞摄取的量反而是三者中最多的（荧光强度约为 ZS-A 与 ZS-S 的 2 倍）；进入细胞后，ZS-G 组的胞内 Zn²⁺ 浓度比 ZS-A 高出近 40%，ZS-A 又比 ZS-S 高出近 30%。也就是说，内吞效率最高的 ZS-G，带来了过量且快速的离子蓄积。

论文在讨论中进一步解释：Zn²⁺ 是一种浓度敏感的「双效离子」——适量时参与信号转导，过量时则干扰线粒体功能、触发炎症级联；相比之下，SiO₃²⁻ 的有效浓度窗口更宽。ZS-A 提供的恰恰是一种适度、温和且持续的离子微环境，这才是激活骨膜细胞功能的关键。

进一步的转录组分析揭示了这条通路的「下游」。论文发现，在 GP-ZS-A 与 GP 的差异基因中，HIF-1 信号通路和糖酵解/糖异生通路被显著富集；GSEA 也显示 GP-ZS-A 组的 HIF-1 信号通路呈上调。关键的糖酵解起始基因（如 Hif-1a）等被上调，并与多个糖酵解基因形成互作网络。

总结成一条链就是：特定的 Zn²⁺/SiO₃²⁻ 胞内微环境 → 上调 HIF-1 驱动的糖酵解 → 促进骨膜细胞表现出的多种仿生骨膜功能。论文指出，这一发现为硅酸盐类纳米材料的设计提供了新的思路。

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06 两套打印工艺，造出一个「骨膜＋骨」的整体

设计思路落地成实物，靠的是两个模块、两套打印工艺的组合。

外层是软的：工程化骨膜。 用挤出式 3D 生物打印，把载有骨膜细胞和锌硅酸盐纳米棒的 GelMA 生物墨水，打印成环形结构。论文的 SEM 图像显示，掺入不同 ZS 的墨水内部结构完整、组分分布均匀，工程化骨膜中活细胞分布丰富——论文称其与天然骨膜的组成相似。

内层是硬的：仿哈弗斯骨模块。 中心是模拟松质骨的互锁结构，外圈是带垂直哈弗斯管道的致密结构，以复现皮质骨。材料是 β-磷酸三钙（β-TCP）。表征结果确认支架结构规整、表面烧结致密，且为高纯 β-TCP 相。

把尺寸匹配的两个模块组装起来，就得到了从外到内依次模拟骨膜、皮质骨、松质骨的仿生骨膜-骨一体化支架。论文还额外展示了一个用于股骨缺损的结构示例，说明这套设计思路对不同部位的骨缺损具有可拓展性。

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07 体外先验一次：骨膜和骨髓怎么「对话」

在进入动物实验之前，团队先搭了一个共培养体系，模拟「骨膜—骨髓」的相互关系：工程化骨膜先打印并培养 14 天；随后把 200 µL 高密度骨髓间充质干细胞（BMSCs）悬液加到 β-TCP 模块的互锁结构上，在湿润环境中不加培养基静置 3 h 让细胞贴附；最后把载有 BMSCs 的 β-TCP 模块与环形工程化骨膜组装在一起。

结果指向一个明确的「协同」：有 ZS 参与的共培养体系中，BMSCs 的成骨分化增强，而成软骨性的骨膜细胞则向肥大软骨方向分化——论文认为这共同体现了增强的协同成骨效应。

染色结果很直观：碱性磷酸酶（ALP）染色与茜素红（ARS）染色显示，含 ZS 组（Co-Z 组）在第 7 天的矿化与成骨表现明显更强。基因层面，共培养体系中骨膜细胞的肥大软骨相关基因（MMP13、IHH、COLX）与早期成骨基因（BMP2、RUNX2、OSX）表达上调；而 BMSCs 一侧的成骨基因（ALP、OSX、OPN、OCN、COL1）热图也整体呈现更高水平，COL1 与 OPN 的免疫荧光染色同样得到印证。

论文还专门研究了细胞比例的影响：把骨膜细胞与 BMSCs 的比例设为 1:0.2、1:0.5、1:1，培养 7 天后拆解体系，分别对两部分做细胞骨架染色观察。

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08 兔子体内：13 mm 骨缺损，12 周后长成什么样

动物实验选择的是兔桡骨节段性骨缺损模型——论文指出节段性骨损伤在临床上极具挑战性。实验用 2.5 kg 雄性新西兰兔，随机分为四组：

手术在桡骨上制造 13 mm 缺损，植入支架后逐层缝合肌肉与皮肤。在术后 8 周和 12 周分别取材（每组每时间点 n = 4），用 micro-CT 与组织学方法评估。

micro-CT 的结论十分清晰：GPZ-TCP 组在两个时间点都表现出更高的骨体积分数（BV/TV）和更低的骨小梁分离度（Tb.Sp）。论文的结果里还有几个值得注意的细节：

• 8 周时，各组支架表面的水凝胶骨膜层都已完全降解——但只有 GPZ-TCP 在工程化骨膜的原位形成了一层带致密纤维结构的完整软组织膜；到 12 周，其余各组才生成类似的完整软膜；
• micro-CT 显示，8 周时只有 GPZ-TCP 的表面出现了从缺损两端向中心延伸的皮质骨结构；到 12 周，GPZ-TCP 表面已被新生骨完全覆盖；
• 与 Defect 组和 G-TCP 组相比，其余组支架孔隙内可见大块状新骨形成，其中 GPZ-TCP 最为突出，且新骨表现出向支架中心优先分布的趋势，提示形成了桥接式骨连接；大量新骨紧密附着在 GPZ-TCP 外侧，与 micro-CT 的发现一致。

组织学方面，8 周时的 H&E 与 Masson 三色染色显示，GPZ-TCP 表面已形成一层类似天然骨膜的软组织膜，含丰富胶原纤维与血管；VG 染色进一步确认了新骨向中心聚集的趋势。骨标志物 OPN 的免疫荧光定量在 8 周和 12 周均为 GPZ-TCP 组最高。

论文的阶段性结论是：在工程化骨膜中加入 ZS-A，使 GPZ-TCP 既加速了支架内部的新骨生长，也促进了表面新骨生成，从而同时推动了节段性骨缺损中松质骨与皮质骨的再生。

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09 从「替代骨膜」到「再生骨膜」

骨缺损修复的经典路径是软骨内成骨：先形成软骨性骨痂，再被血管侵入、逐步替换为骨。骨膜在这一步中扮演着「启动者」的角色。所以论文接着追问：这层工程化骨膜，能不能真的替代天然骨膜的功能？

早期（2 周）：软骨先来，血管随后

术后 2 周，免疫荧光半定量显示GPZ-TCP 组生成的软骨基质显著多于 Defect 组和 G-TCP 组；阿尔新蓝染色也显示缺损周围出现强烈的软骨形成。一个值得注意的细节是：骨膜层的水凝胶基质没有明显降解，论文认为这体现了它的稳定性，以及至少两周内持续释放生物活性因子的潜力。

同期用 CD31 免疫荧光评估血管化：GPZ-TCP 组血管更多。定量结果显示，GP-TCP 与 GPZ-TCP 组均显著高于对照，分别约为对照的 2 倍和 3 倍。

后期（12 周）：新骨膜长出来了

到了 12 周，各组支架表面都形成了骨膜样结缔组织膜，富含胶原纤维与血管供给。论文通过 periostin 蛋白的存在，把这层软组织膜确认为新生骨膜（neo-periosteum）。

而 GPZ-TCP 组的新生骨膜中，periostin、CD31 和神经丝蛋白（NF）都显著更多。论文的解读是：这意味着该组的骨膜能够为骨损伤区域提供更丰富的神经血管供给、更接近真实骨膜的微环境。也就是说，ZS 基工程化骨膜最终被整合了丰富神经支配和血管供给的新生骨膜所替代。

论文把体内神经血管效应归因于两条互补的机制：ZS 激活的骨膜细胞分泌的旁分泌因子，以及释放的 Zn²⁺ 与 SiO₃²⁻ 离子本身的直接生物活性。

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10 单细胞测序：找到一群「只在这一组出现」的细胞

为了看清 ZS 在体内到底改变了什么，团队在术后 4 周采集兔骨痂样本（G-TCP、GP-TCP、GPZ-TCP 三组），消化成单细胞悬液，去除 CD45 阳性免疫细胞后，在 10x Genomics Chromium 平台上建库，用 Illumina NovaSeq 6000 测序（目标深度约每细胞 20,000 reads），最后用 CellRanger、Seurat 等工具完成分析。

分析结果显示，来自三个组的间充质细胞被划分为八个亚群。其中最关键的发现是：有一个独特的亚群，只在 GPZ-TCP 组中出现——论文将它命名为 ZS-Fibrogenic cells（ZS 诱导的纤维源性细胞），用以反映它们在 ZS 刺激下出现。

这群细胞有几个特点：

• 沿拟时序轴，它们维持纤维源性基因（ASPN、COL3A1、COL5A1、COL8A1、POSTN）的高表达，同时逐渐下调干性标志物（CD34、PI16）；
• 成软骨与肥大标志物的时序表达（ACAN、COL2A1 早，COL10A1、IHH 晚）提示它们与软骨内成骨相关；其软骨内成骨评分仅次于终末分化的软骨细胞与成骨细胞；
• 代谢上，它们表现出高度活跃的糖酵解特征——在所有亚群中糖酵解评分最高，且糖酵解核心标志物 ENO1 表达显著。论文明确指出，这与体外 ZS-A 对骨膜细胞的作用是一致的。

细胞通讯分析进一步补上了「神经血管」这一环：八个间充质亚群与内皮细胞（EC）/ 雪旺细胞之间存在广泛通讯，其中 ZS-Fibrogenic 细胞与雪旺细胞的相互作用，论文报道为所有间充质亚群中最强；在以 EC 为中心的网络中，涉及 ZS-Fibrogenic 细胞的相互作用也十分突出，并且观察到强的 VEGF 信号与 SEMA3 信号通路介导的连接。

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把整篇论文串起来

逻辑其实很易懂：

论文把它称为「为全结构与功能仿生的骨组织工程材料设计提供了全新视角」。

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📄 文献信息

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