生长因子模拟多肽空间层状修饰多功能水凝胶的构建及其骨/软骨修复研究

Clinical studies have shown that osteochondral transplantation is an effective way to repair articular cartilage. Hydrogel is an ideal cartilage tissue engineering scaffold that can be highly conducive for chondrogenesis by primary chondrocytesor stem/progenitor cells due to the high water content and cartilage extracellular matrix like elasticity. However, its uniform physicochemical and biochemical microenvironment can’t satisfy the requirement of osteochondral integration repair. Therefore, this project aims at inducing stem cell differentiation into chondrogenesis and osteogenes is respectively by introducing of two different biological functionalities with upper and lower layers in the hydrogel. Briefly, multi-functional hyaluronic hydrogel is crosslinked based on Diels-Alder click chemistry. Subsequently, an orthogonal thiol-ene photo-coupling chemistry is introduced that enables grafting of biological cues within the hydrogel. The growth factor mimicking peptide CM-10 which derived from TGF-β1 is patterned into upper zonal of hydrogel and P-24 derived from BMP-2 is patterned into lower zonal of hydrogel. The 3D biochemical modified hydrogel is utilized to guide and control the stem cells fate and promote the osteochondral zonal repair. Meanwhile the functional mechanism of 3D biochemical microenvironment to stem cells is also explored and discussed in this project. This work is expected to develop a new osteochondral integrated material and provide theoretical basis and experimental evidence, so as to achieve new breakthrough in articular osteochondral repair.

临床研究表明骨/软骨一体化移植是治疗关节软骨损伤的有效手段之一。水凝胶能够为干细胞的增殖与分化提供接近于天然软骨细胞外基质的微环境，是一种较为理想的软骨组织工程支架材料，但是其单一的物理和生物化学微环境无法满足骨/软骨一体化修复的要求。因此，本项目拟通过“正交点击化学”法，在实现透明质酸水凝胶多功能特性的基础上，进一步通过紫外光刻技术，在其下层区域引入诱导干细胞向成骨细胞分化的BMP-2模拟多肽P-24，上层区域引入诱导干细胞向软骨细胞分化的TGF-β1模拟多肽CM-10，诱导干细胞在三维空间不同区域分别向骨和软骨分化，从而得到类骨/软骨的层状结构，并阐明三维空间内由生长因子模拟多肽构建的生物化学微环境对干细胞的作用机制，有望为开发新的骨/软骨修复材料提供理论基础和实验依据，从而取得关节骨/软骨修复的新突破。

临床研究表明骨/软骨一体化移植是治疗关节软骨损伤的有效手段之一。水凝胶能够为干细胞的增殖与分化提供接近于天然软骨细胞外基质的微环境，是一种较为理想的软骨组织工程支架材料，但是其单一的物理和生物化学微环境无法满足骨/软骨一体化修复的要求。. 在本项目的研究过程中，我们通过thiol-ene反应、DA反应、酶交联反应、thiol-Michael加成反应以及Schiff base反应等温和高效的化学反应，结合3D打印和液滴微流控等关键技术，在水凝胶的结构和功能上进行复杂设计，仿生骨/软骨物理和化学微环境，制备得到具有空间图案化孔洞结构、可注射、自组装、组织黏附和双层结构等独特结构和功能的水凝胶支架，实现了良好的软骨或骨软骨一体化修复效果。. 我们的研究结果表明，通过Thiol-ene反应，结合图案化掩膜，实现了水凝胶网络结构的图案化，ATDC-5细胞在图案化的水凝胶中表现出更好的活性和增殖能力；利用明胶的温敏性、酶交联、以及丝素蛋白的构象转变构建了具有交错孔结构的3D打印水凝胶支架，并将其应用于软骨组织再生修复，实现了良好的关节软骨再生修复效果；采用微流控技术，通过thiol-Michael addition反应，制备出具有可注射和自组装性能的微凝胶，以此为基础构建新型软骨再生修复策略；通过光交联反应和Schiff-base反应构建具有双网络结构和组织黏附性能的骨软骨双层水凝胶支架，双层水凝胶支架复合BMSCs实现了良好的骨软骨一体化再生修复效果。. 通过本项目的研究，形成了多种构建独特结构和功能的水凝胶的方法，建立了水凝胶的分子设计、加工方法与水凝胶结构和功能的关系，阐明了水凝胶的结构和功能设计对细胞增殖和分化的影响机制，实现了良好的软骨或骨软骨一体化再生修复效果。以上研究成果为多功能水凝胶的进一步研究和临床应用奠定了坚实的理论基础。. 该项目已资助发表SCI论文18篇，相关内容已获得授权发明专利4件，申请中国发明专利9件，培养相关研究方向博士生1人、硕士生9人。