石墨烯/聚磷酸酯氨基酸/糖胺聚糖复合人工半月板支架微环境构建对植入细胞生物学行为影响的研究

It always makes orthopedic surgeons frustrated by artificial meniscus’s high rate of breakage and slow process of biolization.The ideal meniscus scaffold consists of two key parts which are picking materials with good biological properties and constructing appropriate design of internal structure.In view of related works on meniscus support are not satisfactory, we planned to adopt 3D printing technology to construct it by Graphene which has strong mechanical properties and high specific surface area and Cyclic phosphonate modified Poly(amino acid) composite material. we also make effort to structure internal vesicular structure of scaffold, Ion gradient in pores,mechanical environment and etc and to optimize the micro-environment of scaffolds. By inducing peripheral blood MSCs cells to differentiate into fibrochondrocytes and then attaching them on scaffold to perform cell tracer analysis and dynamic phenotype identification to investigate the effects of meniscus scaffold micro-environment on the growth, proliferation, differentiation and migration of implanted cells, we’re aimed to figure out a whole new pattern of artificial meniscus scaffold.Furthermore,the research has instructive function for studying analogous tissue engineering scaffolds.

人工半月板破损率高、生物化缓慢一直是临床上半月板损伤修复的痛点。选择具有良好生物学性能材料和设计恰当的支架内部结构是构建理想半月板支架的关键。然而，现有半月板支架研究成果却不尽人意。为此，本课题拟采用力学性能强、高比表面积氧化石墨烯和课题组新研发的聚磷酸酯氨基酸复合材料3D打印构建半月板支架；课题组还同时聚焦支架内部多孔结构、孔隙内离子梯度和营养物质浓度、力学环境等方面构建和优化支架微环境；通过外周血MSCs细胞诱导分化为纤维软骨细胞，负载于该支架进行细胞示踪分析及动态表型鉴定，探讨半月板支架微环境对植入细胞生长、增殖、分化、迁移等行为影响机制，最终探索出一种人工半月板构建模式。本课题实施对类似组织工程支架研究具有指导意义。

人工半月板临床植入后破损率高、生物化缓慢一直是临床上半月板损伤修复的痛点，选择具有良好生物学性能材料和设计恰当的支架是构建理想半月板支架的关键。现有人工半月板材料尚不能满足临床需要。然而，目前组织工程半月板支架多基于组织衍生类材料，存在异种抗原难以清除、潜在排异和伦理风险。为此，申请人首先通过将氧化石墨烯（Graphene oxide, GO)和课题组新研发的聚磷酸酯氨基酸复合材料(Phosphate-m-Poly(aminoacids), PE-m-PAAs)熔融共聚后与聚己内酯（Polycaprolactone，PCL）共混后3D打印构建了一种聚合物半月板支架。研究结果表明，本实验首次成功通过环磷酸酯开环，熔融共聚引入二元 α-氨基酸和氧化石.墨烯，成功制备了 PE-m-PAAs-GO，并应用 3D 打印技术成功实现了 PCL/PE-mPAAs-GO 的支架成型。本实验通过大量表征手段，证实熔融共聚反应.成功将氧化石墨烯接枝到磷酸酯修饰的聚氨基酸支链，同时该材料具有良好的热稳定性和表面形貌，亲水性随氧化石墨烯质量分数的增加而下降。PCL/PE-m-PAAs-GO 支架具有良好的生物相容性，能促进 BMSCs 增殖。在软骨诱导体系条件下， PCL/PE-m-PAAs-GO 可促进 BMSCs 分泌半月板细胞外基质 COL I， COL II 和 GAGs,并能进一步促进 BMSCs 向纤维软骨方向分化。本项目中 PCL/PE-m-PAAs-GO 支架的促 BMSCs 增殖、分化能力的适宜氧化石墨烯质量分数为 0.5%。通过兔内侧半月板置换模型，组织学和影像学评价表明 PCL/PE-m-PAAs-0.5% GO/BMSCs 具备更好的诱导半月板再生能力，并能有效延缓关节退变。本项目构建的聚合物半月板支架不依赖组织衍生类基材，生产工艺成熟，可批量化制备，为人工半月板的替代提供了新的途径和思路，具有潜在的应用前景。