骨軟骨是一個具有多級層狀結構的復雜組織，包括軟骨下骨和關節(jié)軟骨。具體來說，骨軟骨組織從表面到底部分為表面軟骨、彈性軟骨和纖維軟骨區(qū)域。在這些不同的區(qū)域中，細胞外基質的組成、膠原纖維的取向和組織的機械性能都會梯度的發(fā)生改變。例如，的分布呈梯度分布，關節(jié)表面的透明軟骨缺乏羥基磷灰石(HAP)，而在彈性軟骨和纖維軟骨中的含量逐漸增加。隨著骨軟骨區(qū)域礦物含量的梯度增加，其機械性能也相應增加。當前骨軟骨缺損修復的主要難點在于模擬骨軟骨區(qū)域的梯度結構，從而達到理想的修復效果。
圖1 本研究整體策略示意圖。
日前，浙江大學醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院范順武教授團隊與浙江大學唐？到淌冢献靼l(fā)現(xiàn)可以利用重力滲透法制備具有連續(xù)梯度結構的礦化水凝膠用于骨軟骨缺損修復。以聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)和透明質酸(HA)作為有機骨架制備連續(xù)梯度礦化水凝膠。PEGDMA是一種常見的水凝膠材料，具有良好的生物相容性和較強的吸水能力，因其具有潛在的活性官能團而被廣泛應用于組織工程和生物醫(yī)學領域。PEGDMA還可以在水凝膠內提供可觀的材料硬度，滿足組織修復所需的力學性能。透明質酸是存在于人體軟骨和滑液中的天然成分，具有良好的生物相容性。透明質酸凝膠可以補充軟骨細胞外基質，提供關節(jié)潤滑和緩沖的作用。透明質酸具有抗氧化特性，可以中和自由基，減少氧化應激對細胞和組織的損傷。在這里，HA/PEGDMA的交聯(lián)網絡通過引入光敏劑而被成功建立。隨后，通過重力滲透引入約2 nm的磷酸鈣前驅相，使其具有連續(xù)梯度的礦物含量和力學性能。這種通過重力滲透作用制得的具有連續(xù)梯度結構的礦化水凝膠材料可以用于骨軟骨缺損的有效修復。
圖2 具有連續(xù)梯度結構的礦化水凝膠的相關表征。
通過這種方法制備的礦物水凝膠材料的表層壓縮模量為636 KPa，下層壓縮模量為1000 KPa，符合骨軟骨部位的生物力學特征。需要強調的是，水凝膠內約2 nm的磷酸鈣前驅體可以自發(fā)轉化為HAP，所獲得的HAP連續(xù)含量接近天然骨軟骨復合材料。通過重力滲透誘導合成用于骨軟骨再生的仿生水凝膠，可以用于骨軟骨缺損修復。
圖3水凝膠體外實驗的相關結果。
在軟骨下骨層，來自連續(xù)礦化水凝膠的HAP誘導骨髓間充質干細胞(MSCs)鈣內流增加，激活鈣/鈣調素依賴性蛋白激酶2(CaMK2)，并通過鈣信號通路促進MSCs的成骨分化。這種創(chuàng)新的梯度礦化方法在骨軟骨缺損的動物模型上也取得了理想的修復效果（圖3）。相較于沒有梯度屬性的水凝膠，連續(xù)梯度礦化水凝膠在骨體積/組織體積(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)和骨小梁數量(Tb.N)等修復指標上均顯示出明顯差異（圖4）。
圖4水凝膠體內實驗的相關結果
總結：作者通過重力滲透法制備出具有連續(xù)梯度結構的礦化水凝膠，使其不僅在結構上模擬了自然骨軟骨的復雜性，同時在功能上也實現(xiàn)了對骨軟骨缺損修復的精準調控。這種材料的設計充分考慮了骨軟骨單位的力學需求和生物學特性，使其在修復過程中能夠為軟骨層和軟骨下骨層提供各自所需的特定環(huán)境。這種仿生材料的設計，不僅在理論上為骨軟骨缺損的修復提供了新的視角，而且在實踐中也為開發(fā)更有效的生物材料提供了有益的探索。通過精確調控材料的組成和結構，可以更好地模擬骨軟骨的自然特性，有望在未來的骨軟骨修復領域發(fā)揮重要作用。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202408249
