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  創(chuàng)傷和炎癥等引起的軟骨損傷，常常引起劇烈疼痛，限制人體正常運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。軟骨中不含血管，其再生能力非常有限，難于修復(fù)，是臨床上亟待解決的難題。目前盡管已有一些方法如生長(zhǎng)因子注射、干細(xì)胞移植、自體或異體軟骨移植等用于軟骨修復(fù)，但它們大多為生物源，存在細(xì)胞和組織來(lái)源有限、生命體排異、潛在的疾病感染風(fēng)險(xiǎn)、操作復(fù)雜和費(fèi)用高等問(wèn)題。據(jù)此，東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室游正偉教授團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院趙世昌醫(yī)師團(tuán)隊(duì)共同研制了一種生物活性的形狀記憶彈性支架實(shí)現(xiàn)了無(wú)細(xì)胞軟骨再生，所用材料純?nèi)斯ず铣�，精�?zhǔn)可控，無(wú)生物源風(fēng)險(xiǎn)，為軟骨修復(fù)提供了簡(jiǎn)便高效的方法。相關(guān)成果近日以“Biofunctionalized chondrogenic shape-memory ternary scaffolds for efficient cell-free cartilage regeneration”為題，發(fā)表于生物材料領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Acta Biomaterialia》。東華大學(xué)材料學(xué)院博士生軒慧霞是論文的第一作者，上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院胡浩然博士是共同作者，游正偉教授和趙世昌主治醫(yī)師是該論文的共同通訊作者。

利用功能有機(jī)小分子構(gòu)筑生物活性的體溫響應(yīng)形狀記憶多孔支架

  該多孔支架是由一種促進(jìn)軟骨再生的生物活性小分子KGN、生物彈性體聚癸二酸甘油酯（PGS）和聚（1,3-丙二醇甘油酯）（PPS）雜化構(gòu)筑。其中PGS是該團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期研究的一種應(yīng)用廣泛的生物相容和生物可降解彈性體，其形成共價(jià)網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)缺損部位形狀，定制支架的永久形狀。結(jié)晶的PPS鏈段作為可逆開(kāi)關(guān)相起到固定臨時(shí)形狀的作用。相較于傳統(tǒng)的聚合物生物材料聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PCL）等，PGS一個(gè)特點(diǎn)是有大量的自由羥基，可以進(jìn)行多種化學(xué)修飾，方便地實(shí)現(xiàn)功能化。本工作中接枝了生物活性的小分子KGN，賦予了支架促進(jìn)軟骨再生的能力。

圖 1生物活性形狀記憶多孔支架的設(shè)計(jì)、制備和無(wú)細(xì)胞軟骨修復(fù)應(yīng)用示意圖

  支架展現(xiàn)了良好的生物降解性，在降解過(guò)程中，促進(jìn)軟骨再生的生物活性小分子KGN被緩慢釋放（圖2），控釋時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月以上。

圖 2支架體外降解和生物活性分子KGN的緩釋

  構(gòu)筑的PPS/PGS/KGN三元支架展現(xiàn)了良好的體溫形狀記憶效應(yīng)。較大的多孔支架可以被壓縮固定到較小的緊湊狀態(tài)，便于微創(chuàng)植入；植入體內(nèi)后，在體溫（37 oC）下，支架自然恢復(fù)到設(shè)定的初始狀態(tài)，修復(fù)組織缺損。該支架經(jīng)過(guò)5個(gè)形狀記憶過(guò)程后，仍保有98%的形狀記憶固定率和97%的形狀記憶回復(fù)率，并且其可定制成各種形狀以滿(mǎn)足不同的組織缺損需求。

圖 3支架的體溫響應(yīng)的形狀記憶行為

無(wú)細(xì)胞軟骨修復(fù)應(yīng)用

  上述PPS/PGS/KGN支架，在體外實(shí)驗(yàn)中可促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞生長(zhǎng)和向軟骨分化；在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，無(wú)需外源生長(zhǎng)因子和細(xì)胞，成功修復(fù)大鼠股骨髁軟骨缺損（圖4）。

圖 4 體內(nèi)軟骨缺損修復(fù)的宏觀(guān)圖像及組織學(xué)染色

  該工作為軟骨缺損提供了微創(chuàng)無(wú)細(xì)胞原位再生修復(fù)的新材料。研制的體溫響應(yīng)形狀記憶支架，還可以進(jìn)行多重功能化，修飾其它生物活性分子，方便地用于其它組織的微創(chuàng)植入修復(fù)。同時(shí)該工作證實(shí)的利用功能小分子構(gòu)筑生物活性材料的思路，避免了蛋白等生物大分子易失活和潛在的生物風(fēng)險(xiǎn)，可為類(lèi)似的活性生物材料的設(shè)計(jì)提供參考。該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、東華大學(xué)勵(lì)志計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.01.015

作者介紹

  東華大學(xué)游正偉教授長(zhǎng)期從事彈性體材料研制及其在生物醫(yī)學(xué)和生物電子領(lǐng)域的應(yīng)用。建立了酸誘導(dǎo)環(huán)氧開(kāi)環(huán)聚合的合成新方法(Biomaterials 2010, 31, 3129; Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 28)，研制了一系列新型生物活性(ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 20591; J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 2090; Acta Biomater. 2019, 539, 351)、具有形狀記憶(J. Mater. Chem. B, 2019, 7, 123; ACS Biomater. Sci. Eng. 2019, 5, 1668)、自愈合(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 9590; Adv. Mater. 2019, 31, 1901402; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1901058)等功能的彈性體；通過(guò)工藝、設(shè)備、策略的創(chuàng)新，解決了3D打印中的一系列瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了包括上述熱固性彈性體在內(nèi)不易加工材料的3D打印(Mater. Horiz., 2019, 6, 394)，構(gòu)筑了常規(guī)3D打印難于獲得仿生血管網(wǎng)絡(luò)等三維精細(xì)結(jié)構(gòu)(Mater. Horiz. 2019, 6, 1197)；進(jìn)而考察上述材料和加工技術(shù)在心肌(Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1900065)、血管(Biomaterials 2016, 76, 359; Acta Biomater. 2019, 97, 321)、氣管(Sci. China Mater. 2019, 62, 1910)、子宮(Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1801455)、和骨(J. Mater. Chem. B, 2017, 5, 2468)等組織再生和可穿戴電子(Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805108; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 13948; Nano Energy 2019, 63, 103847; Nat. Commun. DOI: 10.1038/s41467-020-14446-2; Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201906994)等領(lǐng)域的應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)主頁(yè)：http://pilab.dhu.edu.cn/zyou/

  上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院趙世昌主治醫(yī)師長(zhǎng)期致力于骨與軟骨組織工程以及各類(lèi)骨科疾患的臨床診治和基礎(chǔ)研究工作，在應(yīng)用生物材料及干細(xì)胞（外泌體）促進(jìn)組織再生修復(fù)領(lǐng)域已積累豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，在Biomaterials、ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Eng. J.、Acta Biomater.、J. Mater. Chem. B以及Biomater. Sci.等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文30余篇。