仿生设计的高强度双层生长因子缓释水凝胶支架修复关节骨软骨缺损

Due to the lack of bioactive surface and sufficient biomechanical strength of the scaffold, the current tissue engineering osteochondral (TEO) repair programs have caused disordered seeded cell proliferation and bioactivity, leading to the fibrous cartilage repair and secondary degeneration. In this study, we prepared the osteochondral bilayer structure of ultra-high strength hydrogel scaffold, and were then seeded with peripheral blood mesenchymal stem cells for various hydrogel constructs. The effects of different bioactivity or growth factor sustained release, biomechanical strength and hydrogel degradation time on the TEO regeneration were observed by in vitro experiments. The best in vitro TEO regimen was screened by general observation, histology analysis, biomechanics tests, imaging studies, gene chip analysis and protein chip evaluation. We will evaluate the efficacy of the optimal TEO regimen for repairing large osteochondral defects, combining the in vitro experimental data, the mechanism of multifunctional gene and protein network regulation in TEO regeneration will be studied in depth, which is expected to provide a new solution for the clinical treatment of osteochondral defects.

组织工程骨软骨支架（Tissue-engineered osteochondra scaffold, TEO）是治疗关节骨软骨缺损最有前景的技术之一。但现有修复方案往往远期效果不佳，原因是支架材料缺乏表面活性和/或生物力学强度不足导致种子细胞增殖和功能失调，所修复组织为纤维软骨，最终发生继发性退变。本研究拟制备可分层诱导种子细胞分化成软骨细胞和骨细胞的高强度骨软骨仿生水凝胶，并复合外周血间充质干细胞，通过一系列体内体外实验，验证该支架修复骨软骨缺损的疗效及其分子机制。我们拟通过体外实验考察水凝胶的空间结构、生物力学强度以及降解时间以及干细胞诱导分化因子的分层缓释对种子细胞生长和分化的调控效果，并筛选出最优TEO方案。通过组织学、生物力学、影像学、基因和蛋白芯片等评估该方案移植修复大面积骨软骨缺损的疗效，对TEO修复缺损的分子机制进行深入研究，为临床治疗骨软骨缺损提供一种全新的解决方案。

软骨缺损是最常见的运动创伤之一，通常会导致关节疼痛、肿胀和功能障碍，由于软骨无血管、无神经、无淋巴管、低代谢率和低细胞密度的特征，使其自我修复潜力非常有限。在临床现有治疗手段局限的背景下，组织工程软骨为软骨缺损的修复提供了新的思路。本课题针对计划书的研究目标深入开展了一系列的研究工作，解决了组织工程软骨构建中以PB-MSCs为代表的种子细胞的微创、大量获取及多向分化潜力的表征，完成了基于聚乙二醇（PEG）与壳聚糖（CHI）两种组分的高力学强度双网络水凝胶的制备、筛选，以及功能双网络水凝胶的获取；通过3D打印手段获得了具有高分辨率三维结构的水凝胶支架；通过载药微囊，完成超声控制下KGN在水凝胶中的分时控制释放技术，进一步利用分子间的静电相互作用实现了细胞因子TGF-β3的控释。利用细胞-支架体外复合培养的组织学、生物力学、分子生物学等相关指标的检测，筛选出最终的组织工程体外方案。体内实验表明，该组织工程软骨支架能够有效修复体内骨软骨缺损，通过组织工程软骨培育过程中的基因表达参与规律分析研究，对优良组织工程软骨的形成机制进行总结，验证了当初课题提出的科学假设，明确了植入体内PB-MSCs的去向和转归。由于该水凝胶力学性能好、制备过程简单、不涉及丙烯酰胺等潜在的有毒物质，将非常有利于在临床上进行应用。