骨/软骨界面微环境体系的构建及其促进骨/软骨一体化修复的调节机制研究

Bone / cartilage integration is one of the effective means to treat articular cartilage injury. Hydrogel can provide good biomechanical and chemical microenvironment for cell stem cell proliferation and differentiation. We prepared sodium alginate-chitosan hydrogel in early stage, which indicated that it could effectively repair cartilage defects. But the single microenvironment of hydrogel can not meet the requirements of bone / cartilage interface microenvironment. Therefore, this paper intends to design low-porosity viscous hydrogel to simulate the interface structure, prepare microsphere cartilage module and 3D porous mineralized bone module of loaded stem cells. The bottom module is constructed into layered "bone / cartilage 3D Micro-environment interface system ", the interface and bone, cartilage bonding strength and biomechanics microenvironment, to clarify the 3D micro-environment interface system to build the principle of the application of electrospinning membrane hydrogel interface repair, different modification conditions , The interface of the study on the impact of osteogenesis and cartilage, to clarify the interface microenvironment affect the mechanism of osteogenesis and cartilage. And the application of molecular biology, histology and micro-CT and other means to verify the system in vivo experiments in bone and cartilage repair effect for the integration of bone and cartilage to provide a model and new ideas.

骨/软骨一体化修复是治疗关节软骨损伤的有效手段之一。我们前期研究所制备的海藻酸钠-壳聚糖水凝胶能为干细胞增殖与分化提供良好的生物力学及化学微环境，是一种较为理想的软骨组织工程支架。但水凝胶单一结构无法满足骨/软骨界面微环境的要求。因此，本课题拟设计低孔隙率粘性水凝胶模拟界面结构，应用载荷干细胞的海藻酸钠水凝胶微球组装成软骨模块，应用3D打印的方法制备多孔矿化骨模块，基于bottom-up策略将以上模块构建成层状“骨/软骨3D微环境界面体系”，研究界面与骨、软骨的结合强度及生物力学微环境情况，阐明该3D微环境界面体系的构建原理；应用静电纺丝膜对水凝胶界面进行修饰，不同修饰条件下，研究该类骨/软骨层状界面体系对成骨及成软骨的影响，阐明界面微环境的作用机制。并应用分子生物学、组织学及影像学等手段验证该体系在体内实验中骨、软骨的修复效果，为骨/软骨的一体化修复提供模型及新的思路。

关节软骨缺损常见于创伤、感染、骨性关节炎等疾患，关节软骨损伤或退变的同时常伴有软骨下骨的损伤或改变，出现软骨下骨硬化或退变，且新生的软骨与软骨下骨整合困难，常出现软骨与骨的整体破坏。钙化层将软骨与软骨下骨分开而形成关节腔内的软骨微环境与骨髓端的软骨下骨微环境，以上两微环境体系内具有不同的PH 值、氧分压、血运及营养特点。目前已有的骨软骨复合支架常存在界面结合差、生物力学性能不足以及界面微环境未建立或构建不完全等缺点，不能承受关节运动时产生的剪切力，而致使界面部位产分离，界面结构孔隙率较大，关节液或髓腔相互联通而起不到构建两个独立微环境的作用。其原因在于对软骨及软骨下骨的力学关系及微环境调节机制尚不完全清楚。. 本项目首先应用微流体技术构建载荷干细胞的海藻酸盐微球，并构建直径为100μm,150μm,200μm及250 μm的微球。将海藻酸钠微球进行体内外培养，检测各微球的生物相容性及各直径微球的成软骨性能，结果发现，当微球直径为150μm时，其成软骨性能较好，并能使软骨细胞维持其成软骨特性。对以上直径为150μm的微球进行层层组装构建模拟软骨力学微环境的软骨模块，并对以上模块进行生物相容性及成软骨培养，然后检测其成软骨性能。. 然后以聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)与羟基磷灰石(HA)为原料，应用3D打印技术制备多孔支架，使用矿化法制备具有成骨诱导性的骨模块，体外对其成骨性能进行鉴定。结果显示：该骨模块具有良好的生物相容性、生物活性，其具有较好的成骨能力。. 随后，以粘性且孔隙低的水凝胶及纳米静电纺丝膜作为界面结构，检测该界面结构的粘性，以便于将软骨模块及骨模块结合。同时检测其生物相容性。. 最后，应用bottom-up构建策略，将软骨模块、界面及骨模块组装为一整体，即“骨/软骨3D微环境界面体系”，研究界面在不同修饰条件下，界面与骨、软骨的结合强度及应力情况，阐明界面的构建原理。