微流体器件辅助构建骨软骨修复材料的应用基础研究

Injury to articular cartilage, affects both articular cartilage and the underlying subchondral bone, remains a significant challenge in orthopedic surgery. Current osteochondral tissue engineering not only neglects the biomimic interfaces between generated bone and cartilage zones, but also cannot simultaneously steer osteo/chondrogenesis of stem cells in one scaffold. In this project, we will develop an innovative method which fuses the fields of microfluidics, biomaterials and tissue engineering to design a biomimic materials for osteochondrogenesis. To mimic the compositions and cell distribution of osteochondral tissue, we will design a stem cell-laden bioactive hydrogel materials with hydroxyapatite and osteo/chondrogenic differentiated medium gradients generated by microfluidic devices. The format using gradient-generating device would be outstanding superiorities in stem cell differentiation and interface generation. The execution of this project will not only provide a feasible and promising way for articular cartilage regeneration, but also may open a new door for tissue engineering.

关节软骨的病变常伴随软骨下骨的缺损，因此骨软骨一体化修复一直是再生医学和骨科面临的困难之一。传统的骨软骨组织工程支架往往忽略骨—软骨界面这一重要结构的构建，难以实现其一体化修复；同时，如何同步介导干细胞在支架不同相的特异性梯度分化，实现与天然骨软骨组织在成分与结构上匹配也是制约骨软骨一体化修复临床应用的难题。本课题利用微流体器件构建具有羟基磷灰石梯度分布的水凝胶材料，以成分仿生骨软骨；然后将其负载干细胞，并置于由成骨及成软骨诱导液形成溶液梯度的微流体器件中，通过调控两种诱导液在水凝胶中的梯度分布，将不同区域的干细胞分化为成骨细胞或软骨细胞，从而制备由骨相到软骨相，具有连续过渡结构的骨软骨修复材料。本课题围绕骨软骨一体化修复与重建两大难题，应用微流体与组织工程相结合的新方法，构建可介导干细胞梯度分化的高度仿生骨软骨修复材料，期望通过不同技术领域的交叉突破骨软骨组织工程一体化修复的瓶颈。

关节软骨的病变常伴随软骨和软骨下骨的缺损，两者是结构与功能互相依存的两个组织，要实现骨软骨一体化修复是骨关节治疗中亟待解决的困难之一。然而，骨与软骨在结构、组成成分、细胞种类上差别显著。传统的骨软骨组织工程支架往往忽略了骨与软骨下骨界面处成分与结构的过渡，导致很难实现骨软骨的一体化修复。同时，如何同步介导干细胞在支架不同相的特异性梯度分化，实现与天然骨软骨组织在细胞水平上的匹配也是骨软骨一体化修复的重点。.本课题主要通过利用微流控技术制备了干细胞分化因子梯度分布的双相光交联水凝胶，并通过梯度负载不同干细胞分化因子，来介导水凝胶内部干细胞的仿生梯度分化与细胞外基质的梯度分布，从而形成结构与成分高度仿生的骨软骨修复材料用于骨软骨缺损的修复与重建。其中引入的一种具有特殊疏水空腔和亲水外壳结构的β-环糊精（β-CD）与亲脂分化因子通过主客体作用构建稳定的缓释载药体系。同时，我们还研究了小分子调控干细胞定向分化作用的机理与各分子间的协同作用，探讨了骨细胞分化因子的空间排布对细胞分化的影响以及对骨软骨界面组织构建的重要性。实验结果表明：构建的这种干细胞分化因子负载的双相光交联水凝胶，能实现较好的结合效果，并且干细胞分化因子与β-CD结合后能大大减缓释放速率且不影响其作用效果。在体外实验中，显示出具有良好的细胞相容性，并能成功诱导干细胞的定向分化，在双相结构中呈现出一定的细胞梯度排布。同时，动物实验结果显示实验组的双相光交联水凝胶负载干细胞分化因子的干细胞支架能够显著促进骨关节的修复，且干细胞在其中发挥了有利作用。.本课题通过结合基质材料、干细胞、干细胞分化调控小分子，最终设计出一种能对骨关节界面的损伤部位进行填充修复的可原位注射光固化双相水凝胶材料，并探讨三个因素之间的相互影响，为进一步开发可应用于临床的骨软骨一体化支架提供实践与理论依据，具有广阔的临床应用前景与社会经济价值。