关节骨软骨修复材料仿生研制及再生机理研究

目前工程化骨软骨研究尚存在诸多问题,其中缺少软骨与骨之间的"界层结构"最为关键，极易导致再生组织质量缺陷、移植物与宿主整合欠佳。课题组在率先完成人体关节骨软骨形态结构及理化功能分析基础上，结合国内外最新成果提出：工程化"透明软骨－界层结构－软骨下骨"仿生构建新理念。依据该理念，本项目拟选用仿生生物材料，应用快速成型技术，设计、制造具有"界层结构"的骨软骨仿生支架材料；建立猪膝关节骨软骨缺损模型，嵌入骨软骨支架，应用胶原蛋白凝胶接种技术于软骨区接种自体BMSCs，利用界层结构将骨髓腔与关节腔隔离，为植入的BMSCs创造软骨再生微环境；软骨下骨区可直接利用髓腔MSCs进行修复。通过对植入细胞及支架材料标记与示踪，阐明骨软骨修复材料与生物体的相互作用及其机制；通过对再生修复效果评价，阐明"界面结构"在骨软骨复合组织中构建的必要性和可行性，为应用新理念再生修复关节骨软骨缺损提供理论依据和技术支持。

由创伤或骨病所致关节骨软骨损伤在医学临床中十分常见，目前处于研究阶段的组织工程技术是以再生医学方式治疗关节骨软骨损伤最为理想的新方法。但当前工程化骨软骨研究尚存在诸多问题,修复材料的形态仿生、成分仿生及功能仿生尚需提高，特别是缺少软骨层与软骨下骨层之间的“界层结构”最为关键，极易导致再生组织质量缺陷、移植物与宿主整合欠佳。课题组在深入认识关节骨软骨形态结构及理化功能的基础上，提出了工程化“透明软骨－界层结构－软骨下骨”仿生构建新理念。依据该理念，本项目选用仿生生物材料，构建了具有“界层结构”的骨软骨仿生支架材料。检测结果表明该仿生骨软骨支架具有三层结构，软骨层支架孔隙率为91.1±3.8 %，孔径大小为79.7±17.1 μm；骨支架的孔隙率为73.5±2.6 %，孔径大小为470.2±158.8 μm，界层结构无孔隙。体外培育结果显示，该支架具有良好的生物相容性，支架内种子细胞黏附、增殖良好，分布均匀，种子细胞分别向成软骨及成软骨方向分化。通过建立猪膝关节骨软骨缺损模型，嵌入骨软骨支架，应用胶原蛋白凝胶接种技术于软骨区接种自体BMSCs，利用界层结构将骨髓腔与关节腔隔离，为植入的BMSCs创造软骨再生微环境，软骨下骨区则可直接利用髓腔MSCs进行修复。影像学、组织学检查及大体观察提示：该支架具有良好的骨软骨组织损伤修复效果，特别是在钙化软骨层及软骨下骨层的修复方面。通过对植入的细胞进行标记与示踪显示：修复区充满大量的活细胞，植入的细胞仍然在进行复制和增殖。本研究结果提示具有界层结构的仿生骨软骨支架与无界层结构骨软骨支架及空白对照相比，具有良好的骨软骨修复效果。此外，本项目研究中，我们探索性的设计并制备了人工软骨细胞外基质材料、胶原基水凝胶材料、新型超分子水凝胶材料及新型可注射的透明质酸/胶原复合水凝胶材料。并对这几种新材料进行了表征，对其理化性质、细胞毒性及软骨修复效果进行了研究。结果提示，这几种生物材料具有良好的理化性质、仿生性、生物相容性及软骨修复效果。