近期，北京大學(xué)第三醫(yī)院江東、黃洪杰和王健全研究組在科愛(ài)創(chuàng)辦的期刊Bioactive Materials上聯(lián)合發(fā)表研究論文：關(guān)節(jié)骨軟骨缺損是運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)和骨科常見(jiàn)的疾病，目前臨床治療效果有限，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。需要同時(shí)修復(fù)軟骨和骨缺損，并且軟骨下骨組織的支撐作用對(duì)于軟骨早期再生至關(guān)重要。本研究研發(fā)了硫酸軟骨素水凝膠多孔鋅雙相支架同時(shí)修復(fù)骨軟骨缺損，硫酸軟骨素水凝膠修復(fù)軟骨層，多孔鋅修復(fù)骨組織并為軟骨早期修復(fù)提供修復(fù)支撐。
1、研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介
骨軟骨缺損是運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)和骨科常見(jiàn)的疾病，若未得到有效治療，通常會(huì)導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生，并最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)全面退變和殘疾，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。骨軟骨是界面結(jié)構(gòu)，由軟組織層面向硬組織層面過(guò)渡轉(zhuǎn)化，骨組織具有一定的內(nèi)在再生能力，而軟骨組織無(wú)血管、神經(jīng)和淋巴組織，限制了其自我修復(fù)。雖然關(guān)節(jié)軟骨與軟骨下骨組織在結(jié)構(gòu)組成，力學(xué)方面和再生能力差異巨大，關(guān)節(jié)軟骨與軟骨下骨組織功能高度關(guān)聯(lián)，軟骨能夠提供良好的吸震和減摩作用，對(duì)骨組織起到重要的保護(hù)作用。與此同時(shí)，骨組織也能夠?yàn)檐浌翘峁C(jī)械支撐，共同維持關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。目前臨床治療骨軟骨缺損的方法，包括微骨折、軟骨細(xì)胞移植、骨軟骨移植，但這些方法均存在局限性并且效果有限。因此，研究人員開(kāi)發(fā)出仿生組織工程策略來(lái)治療骨軟骨缺損。
本實(shí)驗(yàn)制備雙相支架修復(fù)巴馬豬骨軟骨缺損，軟骨成分應(yīng)具有相對(duì)較低的壓縮模量和水合粘彈性基質(zhì)特性，而骨成分則需要具備相對(duì)較高的模量和剛性框架特性，同時(shí)修復(fù)軟骨和軟骨下骨組織來(lái)達(dá)到最佳治療效果。
硫酸軟骨素(chondroitin sulfate，CS)是一種硫酸化的糖胺聚糖，存在于軟骨細(xì)胞外基質(zhì)中，可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞分泌II型膠原蛋白和糖蛋白。CS具有許多生物效應(yīng)，包括抗炎和促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)等。CS還具有結(jié)構(gòu)修復(fù)作用，即軟骨保護(hù)效應(yīng)，這種效應(yīng)通過(guò)抑制炎癥因子和金屬蛋白酶的活性來(lái)促進(jìn)骨骼和軟骨組織的新細(xì)胞生長(zhǎng)，并且還通過(guò)抑制降解酶的作用來(lái)修復(fù)骨軟骨組織的退行性病變過(guò)程。經(jīng)化學(xué)修飾后，CS水凝膠可表現(xiàn)出良好的生物相容性和生物降解性。經(jīng)過(guò)化學(xué)修飾，CS水凝膠可以通過(guò)光固化合成。所得的CS水凝膠表現(xiàn)出良好的生物相容性和生物降解性，通過(guò)使用光固化水凝膠的前體，可以在植入體內(nèi)時(shí)生理?xiàng)l件下實(shí)現(xiàn)快速交聯(lián)，該過(guò)程允許對(duì)凝膠進(jìn)行精確的空間和時(shí)間控制，從而便于應(yīng)用于復(fù)雜形狀。因此，光固化水凝膠是適合于原位注射軟骨修復(fù)的理想選擇。
鋅（Zinc, Zn）基材料是新一代可生物降解金屬材料。Zn是人體內(nèi)含量第二高的微量元素，也是機(jī)體內(nèi)各種酶促反應(yīng)的關(guān)鍵物質(zhì)，參與機(jī)體的生長(zhǎng)、發(fā)育、免疫反應(yīng)和酶促反應(yīng)。Zn腐蝕速率較慢，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，Zn基材料具有良好的生物相容性。與Mg基材料相比，Zn基材料的化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，在降解過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生氫氣，也不會(huì)引起周圍環(huán)境pH值的波動(dòng)，因此更適合于臨床應(yīng)用。Zn還具有成骨效應(yīng)，Zn2+可通過(guò)激活cAMP-PKA-CREB/MAPK通路，觸發(fā)細(xì)胞外鈣離子內(nèi)流，誘導(dǎo)BMSCs 的成骨分化，并可通過(guò)抑制NF-κB通路的激活而抑制破骨現(xiàn)象。其主要缺點(diǎn)在于其較低的力學(xué)強(qiáng)度無(wú)法滿足骨科植入物的要求。為了克服這一問(wèn)題，當(dāng)前的研究熱點(diǎn)是將鋅與一些其他金屬元素形成合金，如鎂（Mg）、鈣（Ca）、錳（Mn）、銅（Cu）、鋰（Li）等。通過(guò)將鋅與這些金屬元素合金化，可以在一定程度上改善鋅的力學(xué)強(qiáng)度，并確保其自身腐蝕速率及降解過(guò)程不受影響。然而，需要注意的是，軟骨下骨為松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，相較于皮質(zhì)骨具有不同的應(yīng)用需求。純Zn材料力學(xué)性能相對(duì)較弱的缺點(diǎn)，在關(guān)節(jié)骨軟骨缺損治療中，這一弱點(diǎn)反而成為其優(yōu)勢(shì)。當(dāng)純鋅經(jīng)過(guò)增材制造形成多孔結(jié)構(gòu)后，其剛度與軟骨下骨非常接近，從而為軟骨再生提供了具有接近生理性質(zhì)的機(jī)械支撐，從而減少軟骨修復(fù)過(guò)程中關(guān)節(jié)內(nèi)產(chǎn)生的剪切力。
圖1：CS-Zn雙相支架的制備及表征。A) 多孔鋅支架的宏觀和微觀尺度；B) 多孔鋅支架的電子背散射表征；C) 多孔鋅支架的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；D) MACS水凝膠的掃描電子顯微鏡圖像；E) MACS水凝膠在水中的膨脹行為；F) MACS水凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；G) CS-Zn雙相支架的宏觀和微觀尺度；H ) CS-Zn雙相支架體外降隨浸泡時(shí)間的變化過(guò)程 (灰色：鋅支架，紅色：降解產(chǎn)物)；i) 鋅離子濃度隨浸泡時(shí)間的變化過(guò)程；J) 第1天和第28天的降解產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡圖像；k) 第28天的降解層的EDS圖。
在巴馬豬的骨軟骨缺損模型中，這種仿生雙相支架不僅展示了強(qiáng)大的促透明軟骨形成（具有典型的軟骨陷窩結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度以及軟骨特異的ECM沉積及排隊(duì)）的能力。還促進(jìn)了軟骨下骨組織的再生，術(shù)后三個(gè)月多孔鋅支架降解約18.5%，術(shù)后六個(gè)月降解約27.8%，有望在兩年內(nèi)完全降解，符合骨科植入物的最佳降解速率（1-2年）。
圖2：使用CS-Zn雙相支架促進(jìn)骨軟骨修復(fù)與透明軟骨形成的示意圖。
綜上所述，受Zn成骨作用及與松質(zhì)骨彈性模量接近的啟發(fā)，該研究首次設(shè)計(jì)并合成了一種仿生CS-Zn雙相支架支架。該支架通過(guò)增強(qiáng)細(xì)胞生存和骨軟骨分化，模擬天然軟骨下骨組織對(duì)軟骨再生的生理性支撐并促進(jìn)骨組織再生，從而加速骨軟骨組織的修復(fù)和透明軟骨的形成。該研究為新型仿生支架的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，并為臨床骨軟骨缺損的修復(fù)提供新的思路。
圖3：修復(fù)軟骨的組織學(xué)評(píng)價(jià)及生物力學(xué)試驗(yàn)
圖4：術(shù)后24周修復(fù)組織膠原纖維分布的定量分析
圖5：術(shù)后12周和24周多孔鋅支架的顯微ct圖像、硬組織切片評(píng)估、掃描電鏡圖像和元素分布分析
原文信息
Yang F, Li Y, Wang L,Che H, Zhang X, Jahr H, Wang L, Jiang D, Huang H, Wang J.
Full-thickness osteochondral defect repair using a biodegradable bilayered scaffold of porous zinc and chondroitin sulfate hydrogel.
Bioactive Materials, 32 (2024): 400-414.
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.10.014
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
