Advanced Science | “微型按摩师”唤醒骨再生：无药物微马达开启骨修复新范式

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骨骼损伤，尤其是大面积的骨缺损，一直是临床医学面临的重大挑战。骨组织自身再生能力有限，传统的治疗方法，如植骨、药物或干细胞疗法，往往受制于血管化不足、治疗因子难以在缺损部位有效停留以及缺乏有效的力学刺激等瓶颈。如何在微创的前提下，精准、有效地激活骨再生过程，是该领域亟待突破的关键。

近日，一篇发表于国际顶尖期刊《Advanced Science》的开创性研究，为我们带来了令人耳目一新的答案。来自北京大学深圳医院和深圳大学等机构的科研团队，成功开发了一种磁性水凝胶微马达。这些微米级的“机器人”无需携带任何药物或细胞，仅通过在体外磁场的驱动下进行微观的机械运动，就能像无数个不知疲倦的“微型按摩师”一样，直接“唤醒”骨组织自身的修复能力，实现了高效的骨再生。

该研究的主要进步与发展

这项研究的革命性意义在于其全新的治疗理念——从依赖“生物化学”转向利用“生物物理”，并通过先进的微机器人技术将这一理念变为现实。

1）核心创新：从“药物递送”到“纯机械刺激”

以往的微机器人疗法，大多将机器人作为药物或干细胞的“快递员”，其核心作用是靶向递送。而这项研究彻底转变了思路，提出微机器人本身就可以是治疗的主体。研究团队开发了一种由明胶和透明质酸构成的生物相容性水凝胶，并包裹了磁性的羰基铁颗粒，通过微流控技术制备成均匀的微球，即“微马达”。其工作原理是：将这些微马达微创注射到骨缺损区域后，通过体外施加一个低频的振荡磁场，驱动这些微马达在原地进行高频的、可控的微幅振动或旋转。这种持续的微观机械刺激，能够直接作用于周围的骨祖细胞，激活其增殖和分化，从而促进新骨的形成。这是一种完全**“无药物”（Drug-Free）**的新范式。

图1：磁性水凝胶微马达（MMHMs）促进骨修复的概念图（改编自论文Scheme 1）

图片说明：该图生动地展示了本研究的核心理念。微马达被注射到骨缺损区域后，在体外磁场的驱动下产生微观运动，这种机械刺激能够直接促进成骨细胞的代谢活性、胶原蛋白形成和钙质沉积，从而实现骨骼的再生。

2）精妙的材料设计与可控的运动行为

为了实现这一理念，研究团队在材料和控制上下足了功夫。

生物相容与可降解：微马达的基质由明胶和透明质酸构成，这两种都是天然、安全且可生物降解的材料。这意味着在完成修复任务后，这些微马达可以被身体安全吸收，无需二次手术取出。
可控的群体运动：通过精确调控外部磁场的强度和频率，研究者不仅可以控制单个微马达的运动模式（如直线运动、旋转、振动），还能实现大量微马达的“集群”协同运动，这为适应不同形状和大小的骨缺损提供了极大的灵活性。

图2：微马达的运动控制（改编自论文图2）

图片说明：该图展示了微马达卓越的可控性。A图示意了其三种基本运动模式：定向递送、振动和集群控制。B图和C图显示了单个或集群微马达能够按照预设的复杂路径（如迷宫、“PKUSZH”字样）精确移动。E-H图则定量地展示了如何通过改变磁场频率和强度，来精确调控微马达的运动状态（从旋转到振动）。

3）“恰到好处”的力是关键：活体验证的惊人效果

这项研究最重要的发现是，并非所有的机械刺激都有益。研究团队在大鼠股骨缺损模型中进行了活体验证，设置了无治疗组、植入微马达但无磁场（静止组）、温和微振动刺激组（中等组）和剧烈旋转刺激组（强刺激组）。结果令人瞩目：

中等强度的微振动效果最佳：经过四周的治疗，中等刺激组的新生骨量（骨体积分数）比其他所有组高出约两倍，骨缺损几乎完全愈合。Micro-CT和组织学染色均显示，其新生骨骼结构规整，胶原排列有序，血管化程度也显著提高。
过强或无刺激效果不佳：有趣的是，静止组和强刺激组的骨修复效果与无治疗的空白组相比，并无显著差异。这揭示了一个关键的生物学原理：骨再生需要“恰到好处”的力学微环境，过强或过弱的刺激都可能适得其反。

图3：微马达在体内的骨修复效果（改编自论文图6）

图片说明：该图是本研究最有力的证据。B图通过光学照片和Micro-CT三维重建及切面图，直观对比了四个实验组的骨缺损修复情况。“Moderate”（中等刺激）组的修复效果明显优于其他三组。C、D、E的定量分析图则用数据证实，中等刺激组的新生骨体积分数和骨体积均遥遥领先。

结论与评价

总而言之，《利用无药物微马达通过振荡磁场诱导骨损伤修复》这项研究，是再生医学和微型机器人交叉领域的一项范式转移级别的突破。它巧妙地将经典的生物力学原理与前沿的微机器人技术相结合，提出了一种全新的、**“以物理替代化学”**的治疗策略。

这项技术的进步是深刻的：它不仅为骨修复提供了一种更安全（无药物副作用）、更微创（可注射）、更智能（可远程精确调控）的解决方案，更重要的是，它揭示了通过精准调控局部力学微环境来主动引导组织再生的巨大潜力。这种“非药物”的再生医学理念，未来不仅可能应用于骨科，还有望扩展到肌腱、软骨修复乃至更广泛的组织工程领域。它标志着我们从简单地为身体“输送”修复材料，迈向了主动“唤醒”和“指挥”身体自身修复潜能的新阶段。

▼参考文献

Shen, J., He, R., He, J., Liao, L., Huang, Y., Min, S., Feng, X., Chen, B., & Wang, B. (2025). Oscillating Magnetic Field Induced Bone Injury Repair by using Drug-Free Micromotors. Advanced Science, 2503254.

https://doi.org/10.1002/advs.202503254

END

撰文 | 张越青

编辑 | 周宇茜

审核 | 医工学人理事会

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