聚氨基酸基弹性体组织工程支架构建与犬半月板缺损重建

Meniscus repair is a major clinical challenge. Application of tissue engineering technology can rebuild the meniscus tissue. As a synthetic polyamino acid, poly(L-glutamic acid) shows excellent biocompatibility, histocompatibility and biodegradability. A large number of free carboxyl groups existe in the molecular chain of poly(L-glutamic acid). The molecular weight, mechanical properties and degradation rate can be adjusted by polymerization. In our previous study, poly(L-glutamic acid) based sponge scaffold, which was physical crosslinked by low molecular weight chitosan could support the chondrogenic differentiation of adipose stem cells and could be used to repair articular cartilage defect. Therefore, this project is put forword to fabricate blocked, grafted and cross-linked poly(L-glutamic acid) based scaffolds with the introduction of polycaprolactone and low molecular weight polyethylene glycol segment. The poly(L-glutamic acid) based hydrogel elastomers with different crosslinking structure are fabricated in water by condensation reaction and photocrosslinking method. The elastic scaffolds with proper pore size and porosity are obtained by phase separation technique. Ultimately, the mechanical strength of the hydrogel scaffold will be improved. Besides, adipose stem cells are employed as seeded on the scaffolds to rebuild the canine meniscus after resection, and thus to reveal the effect of structure and properties of scaffolds on cell atachment, proliferation and differation, regeneration of new meniscus tissue.

半月板缺损修复是临床面临的一大难题，应用组织工程技术可重建结构与功能接近完整的半月板组织。聚L-谷氨酸是一种合成聚氨基酸，具有优良的生物相容性、组织亲和性和生物可降解性。其分子链存在大量游离羧基，通过聚合反应可方便调控其分子量、力学和降解性能。我们前期研究发现，以低分子量壳聚糖物理交联的聚L-谷氨酸类海绵支架，有利于脂肪干细胞向软骨分化，并可用于修复兔关节软骨缺损。本项目在前期工作基础上提出制备嵌段、接枝和交联改性的聚L-谷氨酸基支架，引入聚ε-己内酯和低分子量聚乙二醇链段，通过缩合反应和光交联法，在水相中制备不同交联结构的聚L-谷氨酸基水凝胶弹性体，通过相分离技术获得适宜孔径和孔隙率的弹性体支架，最终提高水凝胶弹性体支架的力学强度。并提出以脂肪间充质干细胞为种子细胞，采用组织工程技术重建犬关节半月板全部切除后的缺损，揭示材料结构和性能对细胞黏附、增殖和分化以及新生半月板组织形成影响。

半月板缺损修复是临床面临的一大难题，应用组织工程技术可重建结构与功能接近完整的半月板组织。本项目针对关节半月板对材料力学的较高要求，构建生物可降解水凝胶弹性体，旨在实现缺损半月板组织的重建。.首先合成了接枝和交联改性的一系列聚L-谷氨酸原料，包括不同链段长度和分子量的两亲性聚L−谷氨酸−g−聚己内酯（PLGA-g-PCL）共聚物、引入光交联基团的PLGA、具有自愈合功能的PLGA。通过缩合反应、光交联法、席夫碱反应等，制备不同交联结构的一系列聚L-谷氨酸基水凝胶，系统研究上述材料的力学和生物可降解性，脂肪干细胞（ASCs）和材料作用机制，细胞在材料中的粘附、增殖和诱导行为，对比分析、评价后对材料进行优化，以PLGA-g-PCL为基体构建高强度水凝胶并作为半月板组织工程支架。.利用PCL对PLGA进行疏水改性，并通过与PEG缩聚反应并结合冷冻相分离技术构建了基于PLGA的高强度水凝胶，多孔凝胶孔径为250 ± 28 μm，孔隙率为96 ± 2%，平衡溶胀度达到400 ± 22%，凝胶最大应力为0.9MPa，所构建的凝胶在体内早期降解缓慢，为关节部位提供稳定的力学支撑，后期材料降解加快，为缺损组织提供生长空间。多孔凝胶支持ASCs的粘附、增殖及细胞外基质沉积，诱导后的凝胶具有极强的ASCs软骨向分化能力。并实现缺损的关节半月板组织的重建，再生的半月板保护了股骨髁软骨及胫骨平台，并有效避免关节软骨磨损。以上工作为临床应用提供一种新型的聚氨基酸弹性体材料。.在上述工作基础上，本项目发展了仿生智能的PLGA基支架，包括高强度自修复水凝胶和形状记忆多孔支架。具有自愈合功能的高强度水凝胶在保持高强度的同时还具备自愈合功能，在极端条件下材料受到破坏也能实现自我修复，保证再生半月板的结构完整性。此外，由于关节半月板部位结构限制，手术操作时很难将材料固定于股骨和胫骨平台处，本项目又发展了具有体温响应特性的PLGA基多孔形状记忆材料，并对材料孔结构变化和细胞活性和干性做了深入研究。以上工作拓展了半月板组织工程支架的功能，为智能仿生支架在半月板组织工程中应用奠定基础。