上交九院张文杰/蒋欣泉团队:双层丝素蛋白水凝胶支架用于骨软骨修复

骨软骨单元是一个完整的功能整体，其组成、结构和功能特性在空间上是不同的，因此骨软骨再生一直是一个难点。近期，上海交通大学医学院附属第九医院张文杰和蒋欣泉教授团队构建了一种以致密、光滑的仿生软骨层（D/S）和负载了BMP-2的多孔层（P/S）为主体，然后用负载TGF-β3的Sil-MA水凝胶(TGF-β3/Sil-MA)进行边缘填充与密封的完整双层丝素支架，用于骨软骨修复。其中含BMP-2的多孔网络有利于营养输送、为新形成的组织提供了优异的力学性能支撑，并能刺激BMSCs的成骨分化。TGF-β3/Sil-MA则提供了支架软骨层和周围软骨之间的桥梁，在膝关节修复早期引导新的软骨向周围天然软骨生长并取代降解的软骨层。这种复合材料通过内源性细胞实现骨软骨修复，是一种潜在的骨软骨修复支架。相关成果 “Marginal Sealing Around Integral Bilayer Scaffolds for Repairing Osteochondral Defects Based on Photocurable Silk Hydrogels”发表于杂志Bioactive Materials上。

图1 完整双层丝素支架复合Sil-MA水凝胶修复骨软骨的示意图

1. 双层丝素支架的制备及表征

研究人员制备了不同浓度(10、20和30% w/v)的D/S和P/S，并对其微观结构、表面形态、力学性能等进行了表征，还检测了接种于不同材料上的原代软骨细胞和骨髓间充质干细胞的细胞活力、粘附和分化能力。最终，确定10% D/S和30% P/S是构建双层丝素支架的最佳选择。他们按最优组合制备了双层丝素支架，并在P/S负载了BMP-2，发现负载的BMP-2可以在3周内持续释放，并促进营养物质和组织长入，实现快速骨再生（图2）。

图2 双层丝素支架构建参数的优化、制备及表征

2. Sil-MA的合成与表征

然后，研究人员用甲基丙烯酸酯取代了丝素蛋白（SF）的氨基，制备成了具有光固化性能的Sil-MA材料，然后对10-30%的Sil-MA水凝胶进行了理化和生物学性能评价。最后综合水凝胶在细胞活力和粘附强度以及降解率中的表现，选用20%Sil-MA水凝胶作为最佳密封胶。接下来，他们在Sil-MA水凝胶中加入TGF-β3（一种新软骨再生必不可少的生物活性因子），最终得到的TGF-β3/Sil-MA注入支架软骨层和周围组织之间的间隙时，既可以与天然软骨之间形成无缝隙的紧密连接，又可以引导新的软骨生长、扩展，促进软骨愈合 (图3)。

图3 Sil-MA的合成和表征

3. 负载BMP-2的双层丝素支架+TGF-β3/Sil-MA封闭对膝关节损伤的修复

最后，研究人员用家兔制备了缺损深度达到软骨下骨的骨软骨缺损模型，然后植入P/S中负载BMP-2的双层丝素支架(BMP-2/双层丝素支架)，并用TGF-β3/Sil-MA水凝胶封闭支架软骨层和周围组织，光照固化Sil-MA后，损伤处渗血停止(视频1)。他们对损伤关节不同时间点(0周和3周)的修复情况进行了观察，发现TGF-β3/Sil-MA水凝胶能促进支架软骨层与天然软骨结合和软骨快速形成。在8周后，研究人员进一步评估了全丝基复合材料用于膝关节修复的潜力，通过大体评估、显微CT和组织学分析评估了不同移植组（P/S移植组、负载了BMP-2的P/S移植组、D/S+P/S双层丝素支架移植组、BMP-2/双层丝素支架移植组以及BMP-2/双层丝素支架+ TGF-β3/Sil-MA水凝胶封闭组）中骨软骨组织的再生能力。发现BMP-2/双层丝素支架+ TGF-β3/Sil-MA水凝胶封闭组修复骨软骨缺损的效果最优。其中，BMP-2与多孔层的结合促进了快速成骨，D/S促进软骨细胞生长和再生，而TGF-β3/Sil-MA水凝胶封闭支架软骨层与天然软骨之间的边缘间隙，加速了横向整合（图4）。

图4 双层丝素蛋白水凝胶支架对膝关节损伤的修复能力的评估

在本研究中，支架软骨层的表面形态和力学强度与天然软骨相似，可注射的TGF-β3/Sil-MA水凝胶直接粘附支架软骨层与相邻软骨，促进支架稳定固定并促进了侧向整合。同时，新软骨的形成依赖于内源性细胞如软骨祖细胞，TGF-β3可通过促进这些细胞归巢而促进软骨再生，无需细胞移植。这种复合设计具有良好的侧位整合和其他突出的特性，是一种潜在的骨软骨修复支架。

总之，一个完整的双层丝绸脚手架，包括一个密集，光滑，生物混合软骨层和BMP-2加载多孔层结合TGF-β/Sil-MA密封剂成功建造骨胆修复。对于骨骼再生，BMP-2加载互联的3D多孔网络有利于营养和组织生长，提供出色的机械性能，以支持新形成的组织，并刺激BMSC的骨分化。对于软骨再生，软骨层促进软骨细胞的生长和再生，并与TGF-β3/Sil-MA水凝胶密封的相邻软骨进行横向整合。这种复合材料通过使用内源性细胞实现骨胆修复。由于其出色的横向集成和其他出色的性能，这种复合设计已被证明是骨质修复的潜在脚手架，值得进一步研究，以方便临床应用。

参考文献：

信息来源：EFL