Kartogenin纳米粒复合双相水凝胶的构建及其在膝关节软骨缺损修复中的应用基础研究

Articular cartilage defect is a common clinical disease, but difficult to repair. It involves not only the articular cartilage, but also the subchondral bone. The project intends to fabricate a structure mimic, composition mimic and stiffness mimic CAN-PAC biphasic hydrogel coloaded Kartogenin (KGN) nanoparticles via heat induced one-step polymerization. The proposers utilize the different density between the dispersion of mimetic cartilage layer and the dispersion of mimetic subchondral layer to prepare the seamless biphasic hydrogel. The transition layer comprise the physical crosslinking of sodium alginate and calcium gluconate and the chemical crosslinking of the monomers with double bond in the contact area, which guarantees the construction of mimetic cartilage-subchondral interface. Meanwhile, the mimetic cartilage layer can be used as carrier for KGN nanoparticles and the interface of biphasic hydrogel prevents the drug release from the mimetic subchondral layer, guarantee KGN only in the mimetic cartilage layer to induce MSCs cells into cartilage cells. We proposed a comprehensive study of the physical and chemical properties of scaffold, the biocompatibility, induced cells growth and differentiation, in vivo degradation and the rabbit knee cartilage defect repair, etc. The project will not only provide the new ideas and methods to design and fabricate the cartilage repair scaffolds, but also offer the helpful reference for the research of cartilage tissue engineering.

关节软骨缺损除了涉及关节软骨外，还常常累及软骨下骨，是临床上常见但又难以修复的重要疾病。本项目拟采用热引发一步聚合法构建新型的具有结构仿生、成分仿生及力学仿生的载Kartogenin（KGN）纳米粒复合CAN-PAC双相水凝胶。申请人利用仿软骨层分散液与仿软骨下骨层分散液比重差异的优势来制备无缝连接的双相水凝胶。其过渡层由海藻酸钠及葡萄糖酸钙的物理交联和接触面混合的双键单体化学交联组成，保证了仿软骨-软骨下骨界面的构建。同时，水凝胶的仿软骨层作为KGN纳米粒的载体，双相凝胶中间界面的阻隔效应使得药物的释放不会影响到仿骨层，保证KGN只在仿软骨层诱导MSCs细胞成为软骨细胞。我们拟全面研究该支架的理化性质、生物相容性、细胞诱导、体内降解及兔膝软骨缺损修复等。本项目将为软骨缺损修复支架的设计和构建提供新的思路和方法，为软骨组织工程的研究提供有益的参考。

关节软骨缺损除了涉及关节软骨外，还常常累及软骨下骨，是临床上常见但又难以修复的重要疾病。基于双相仿生支架的软骨组织工程是一种快速发展有效治疗软骨缺损修复的策略。在本项目中，通过热反应快速交联方法，利用两层之间的密度差制备了用于软骨缺损再生（OCD）的双相CAN-PAC水凝胶。上层水凝胶通过CSMA与NIPAm交联，下层水凝胶由PECDA，AAm和PEGDA组成。首先，通过葡萄糖酸钙和藻酸盐的物理交联，实现了两层界面的结合，然后通过其他组分之间的碳-碳双键的化学交联。上层水凝胶和下层水凝胶的平均孔径分别为187.4μm和112.6μm，模量为0.065MPa和0.261MPa。该制备的双层水凝胶具有模拟成分、模拟结构和模拟刚度的特性，为维持细胞附着和细胞生存提供了微环境。与此同时，体内研究表明CAN-PAC水凝胶具有良好的生物降解性和相容性。此外，将双相水凝胶植入建立的兔软骨缺损模型，发现在水凝胶组的再生组织中发现新的透明软骨和修复后的软骨下骨。结果表明，无缝连接仿生双相CAN-PAC水凝胶可以促进软骨全缺损的修复。本项目不仅可为软骨缺损修复支架的设计和构建提供新的思路和方法，而且为软骨组织工程的研究提供有益的参考。本项目已基本完成项目目标和计划，并为下一步的国家自然科学基金面上项目实施较好地提供了研究基础。