对于大多数骨折病例，骨折部位的细胞会自行再生，患者则需佩戴石膏或支具以保持骨折部位稳定。但对于复杂的或严重的骨折，外科医生可能会通过植入由生物相容性材料制成的移植物或支架，或者使用金属固定装置来确保骨折部位正确愈合和对齐。宾夕法尼亚州立大学生物医学工程研究人员领导的一个团队与骨科医生合作，研发出了“CitraBoneQMg”这种可植入的生物可降解支架，用于支持骨折部位的再生长。该支架由镁、谷氨酰胺和柠檬酸结合而成。他们对这种植入物的研究成果发表在《科学进展》杂志上，并已向美国专利局提交了专利申请。

“通过将镁和谷氨酰胺这两种人体内及食物中天然存在的小分子与柠檬酸相结合，我们发现这些分子能够协同作用，促进骨骼生长，其机制在于能够促进细胞内的能量代谢增强。”第一作者胡旭（一名生物医学工程专业的博士生）说道，她的导师是共同通讯作者苏燕（生物医学工程助理研究教授）。

研究人员发现，在一种已获美国食品药品监督管理局批准并已上市的传统仅含柠檬酸的植入物中添加镁和谷氨酰胺，能够提高细胞内的能量水平，并有助于调节两个对骨骼生长至关重要的能量通路——AMPK 和 mTORC1。这些通路就像是细胞内的控制系统，能够平衡能量的使用，从而使细胞有能量生成新的骨骼。

徐博士表示：“这些分子同时调控着这两种能量途径，这与通常的情况有所不同——通常它们是呈跷跷板式的运作，一个加速运转，而另一个则减速。而这个支架实际上为骨细胞提供了动力：两种营养物质与柠檬酸协同作用，为干细胞提供更多的能量，使其能够生长并分化为骨细胞，从而促进更好的骨再生。”

为了测试“CitraBoneQMg”材料，研究人员将实验用的支架植入了大鼠颅骨的缺损部位，并将其所引发的骨生长情况与仅使用柠檬酸基材料植入支架的大鼠以及使用传统骨材料植入支架的大鼠进行了对比。

他们发现，在 12 周后，与仅使用柠檬酸基支架的动物相比，使用 CitraBoneQMg 的动物颅部损伤周围的骨生长量增加了 56%；与使用传统骨材料植入的动物相比，其骨生长量更是增加了 185%。

严博士表示：“这三种分子共同构成了一种促进骨骼愈合的配方，为重新思考骨骼修复的方式开辟了新的途径。”“除了骨骼的快速生长之外，我们还观察到在支架所在部位出现了神经再生和抗炎的特性，这两项要素对于骨骼的长期愈合至关重要。”

研究人员解释道，通过支架将分子直接释放到损伤部位，有助于将高浓度的营养物质直接输送到最需要的地方，而并非依靠口服摄入，因为口服摄入的方式中只有很小一部分能够到达损伤部位。

此外，研究人员还发现这种聚合物支架具有固有的光致发光和光声特性，这使得在将其植入损伤部位后，能够很容易地对其进行成像。

徐先生表示：“CitraBoneQMg 具有光声效应，这使其在体内追踪方面具有巨大潜力。在深层组织之下，它可以通过超声波被检测到。”

除了徐和严之外，与宾夕法尼亚州立大学合作的作者还包括埃森·格拉德、罗希特拉杰·雷和于奇·王，他们均为生物医学工程专业的博士生；斯里-拉贾塞卡尔·科塔帕利，生物医学工程系副教授；以及艾普丽尔·D·阿姆斯特朗，她是宾夕法尼亚州立健康机构的 C. 科尔米克斯特·埃瓦茨教授、矫形外科与康复系主任以及肩肘服务首席医师。有关作者名单及其所属机构，以及支持此项研究的资助机构的完整信息，请参阅《科学进展》。

来源：
宾夕法尼亚州立大学

参考文献：
徐，H. 等人（2025 年）。代谢诱导型柠檬酸生物材料通过柠檬酸介导的信号通路调控骨再生。《科学进展》。doi.org/10.1126/sciadv.ady2862

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