3D打印构建具有微孔道结构的纳米纤维复合水凝胶支架用于软骨修复的研究取得进展

2020-07-22

       关节软骨损伤会造成关节疼痛以及功能紊乱，是导致机体残障的重要原因。其中关节缺失是是关节软骨损伤的主要类型之一。由于关节软骨缺乏营养物质以及细胞的供应，受到损伤后不能自我修复。关节软骨的细胞外基质是由二型胶原纤维网络以及大量的亲水蛋白聚糖所构成的。设计并构建合适的生物材料支架，通过模拟关节软骨的天然结构能够有效地调控细胞的命运和功能，从而实现软骨修复。

       在本研究中，我们首先构建羟丁基壳聚糖-PLGA纳米纤维水凝胶（HBC-NF水凝胶）来模拟关节软骨细胞外基质微环境。实验结果表明，掺杂纳米纤维后，水凝胶的力学性能得到明显提升，同时降解速率减慢，有利于维持HBC-NF水凝胶的稳定性。与此同时，HBC-NF具有良好的生物相容性，在体外培养环境下能够促进人间充质干细胞 (hMSCs)的增殖。更重要的是，HBC-NF水凝胶内部的拓扑结构可以促进细胞间的相互作用，增强软骨分化早期的“聚合作用”，从而显著提高hMSCs的软骨分化。

       在此基础上，我们利用3D打印技术构建PCL网格支架，通过灌注HBC-NF水凝胶，使得复合支架的力学性能能够与天然软骨相匹配（5MPa）。与此同时，我们利用Pluronic F-127作为牺牲剂，与PCL进行共打印来构建支架内部的微孔道从而提高整个支架的营养以及废物交换。此后我们将负载hMSCs的3D打印支架移植到裸鼠皮下，考察了该支架在体内环境中的软骨形成。实验结果表明，3D打印支架良好的力学性能使得其在体内环境中依旧保持结构的完整性和稳定性。同时其微孔道结构的存在有利于之间内部的物质交换，从而更好的促进hMSCs的存活以及软骨分化。总而言之，在本研究中，我们构建了一种具有适当力学强度，生物功能以及可调控的内部微结构的仿生复合支架，在关节软骨的修复以及其他再生医学领域具有潜在的应用价值。

       上述成果近期在Journal of Materials Chemistry B 在线发表，课题组博士生刘晓云为第一作者，课题组张智军研究员和黄洁副研究员为共同通讯作者。上述工作完成过程中也得到了浙江大学机械工程学院贺永教授的指导。

Xiaoyun Liu, Shaoshuai Song, Jie Huang*, Han Fu, Xinyu Ning, Yong He and Zhijun Zhang* HBC-nanofiber hydrogel scaffolds with 3D printed internal microchannels for enhanced cartilage differentiation. Journal of Materials Chemistry B, 2020, 8, 6115.

                图1.3D打印技术构建具有微孔道结构的纳米纤维复合水凝胶支架在体内体外环境下促进hMSCs软骨分化示意图。