多级仿生梯度微球支架促进关节软骨-骨综合缺损修复研究

Clinical repair for osteochondral defect (OCD) remains a major challenge due to its hierarchical structure. Interfacial bonding strength of OCD scaffold and the regeneration of hyaline cartilage are key issues in osteochondral repair. Therefore, we design and construct a biomimetic multilayer scaffold with continuous hydroxyapatite (HA) gradient that simulates the hierarchical structure of natural cartilage and subchondral bone to enhance the interfacial bonding and mechanical properties. We use composite microspheres as the architectural units to fabricate the multilayer gradient scaffolds by selective laser sintering (SLS) 3D printing technology. On the other hand, we use a small molecule compound - kartogenin (KGN) - to promote the cartilage repair through KGN release from composite microspheres in the cartilage layer. We also design micropore (for cartilage) - macropore (for subchondral bone) gradient structure to promote subchondral bone repair and inhibit cartilage calcification. In vitro and in vivo study will be carried out to study the effects of as-designed biomimetic scaffold on cell behavior and osteochondral repair. Through the above research, we will illustrate the relationship between biomimetic gradient structure and osteochondral repair as well as the mechanism of their interaction.

骨-软骨综合缺损修复具有重大临床需求，是组织再生领域面临的关键挑战性课题之一。目前用于骨-软骨修复的多层支架在界面结合强度以及透明软骨修复质量方面存在较大不足。本项目首次提出一种具有成分、孔径梯度以及功能性小分子缓释功能的多级仿生梯度支架体系。该仿生体系以复合微球作为支架的基本建筑单元，结合选择性激光烧结（SLS）技术，实现连续羟基磷灰石（HA）梯度支架的一体化精确制造，以提升支架界面结合强度及整体力学性能；通过促软骨分化因子Kartogenin的微球固载与控制释放促进透明软骨的再生；所提出支架软骨层（微孔）-软骨下骨层（大孔）的孔径梯度，在促进血管化骨再生的同时抑制骨及血管侵入软骨层，可降低软骨钙化。通过体外细胞实验及原位骨软骨缺损修复研究，探索并阐明仿生梯度支架对关节软骨、软骨下骨及界面组织修复的影响及其规律，为发展新一代骨-软骨修复材料奠定重要理论基础。

骨软骨综合缺损修复具有重大临床需求，是组织再生领域面临的挑战性课题之一。目前用于骨软骨修复的多层支架在界面结合强度及软骨修复质量方面存在较大不足。针对上述问题，本项目设计并构建一种用于骨软骨修复的多级仿生梯度支架，支架具有软骨层（微孔）-软骨下骨层（大孔）的孔径梯度，在促进软骨下骨再生的同时抑制骨及血管侵入软骨层，提升软骨修复质量。利用微球选择性激光烧结（SLS）技术实现了支架孔径梯度的精确构建，研究了支架梯度结构与其理化性能之间的关系，进一步开展了体外细胞实验及骨软骨临界尺寸缺损修复实验，评价了支架的体外细胞相容性，探究了支架仿生梯度结构对关节软骨、软骨下骨及其界面组织再生的影响及作用机理。本项目研究发现，孔径梯度支架具有较强的界面结合强度和整体力学性能，以及良好的细胞相容性。支架孔径梯度显著促进了软骨下骨、关节软骨及其界面的多组织再生，提高了关节软骨的修复质量。此外，鉴于软骨下骨对关节软骨的高质量修复具有重要意义，本项目结合多级微纳结构、功能性元素掺杂等策略提升支架促骨再生能力，进而可为骨软骨一体化修复提供良好支撑。综上，本项目在关节软骨-软骨下骨修复领域取得了系列进展，通过支架仿生梯度设计与SLS精确构建，在无外加细胞/生长因子的情况下显著提高了关节软骨、软骨下骨及其界面的修复效果，在骨软骨损伤修复和关节功能重建方面显示出重要转化前景。本项目实施不仅为解决临床骨软骨修复难题、发展新一代骨软骨修复材料奠定了理论基础，同时为其他界面组织再生提供了重要参考。