各向异性纤维增强的多区结构水凝胶支架用于软骨修复的研究

The multi-zonal structure of articular cartilage has an important influence on chondrocyte phenotype, arrangement, extracellular matrix composition and collagen fiber morphology. Therfore, it is a significatant scientific issue to construct multi-zonal articular cartilage tissue engineering scaffold and explore the relationship between the structure and bionic restoration. Based on the unique aligned structure of natural fiber materials and combined with the systematic analysis of cartilage structure and the bionic anisotropy design and finite element analysis of composite materials, the applicant intends to prepare the tissue engineering scaffold with the fine multi-zonal structure of articular cartilage, and regulate the bionic restoration of tissue derived from the bionic structure. Through cell and animal experiments, this project try to clear the effects of scaffold structure and composition on tissue restoration, elucidate the relationship between structure and cellular behavior during restoration and reveal the biolagical significance of multi-zonal structure on cell phenotype, extracellular matrix composition and collagen fiber morphology. Through the implementation of this project, it is expected to clarify the biological function of multi-zonal cartilage scaffolds and lay a foundation for subsequent research.

关节软骨的多区结构（Multi-zonal structure）对软骨细胞表型、排列、细胞外基质组成及胶原纤维形态具有重要的影响。因而，通过构建具有仿关节软骨多区结构的组织工程支架并探究该结构与仿生修复间的关系是重要科学问题。申请人拟基于天然纤维材料特有的取向结构，结合软骨结构的系统分析及复合材料的仿生各向异性设计与有限元分析，精细化制备仿关节软骨多区结构的组织工程支架，以仿生结构调控组织的仿生修复。通过细胞与动物实验，明确支架结构与组成对组织修复的影响及该过程中结构与细胞行为间的关系；揭示该多区结构对细胞表型、细胞外基质组成及胶原纤维形态的生物学意义。通过本项目的实施，有望阐明多区结构软骨支架的生物学功能，为后续研究奠定基础。

关节软骨的多区结构对软骨细胞表型、排列及胶原纤维形态具有重要的影响。因而，通过构建具有仿关节软骨多区结构的组织工程支架并探究该结构与仿生修复间的关系是重要科学问题。申请人基于天然纤维材料特有的取向结构，结合复合材料的仿生各向异性设计，制备出仿关节软骨多区结构的组织工程支架。通过材料性质表征与细胞实验，明确支架结构与组成与细胞行为间的关系，探究了支架材料纤维取向结构对细胞状态的影响。.通过本项目的开展，申请人成功的构建了多种多区结构仿天然软骨等支架材料，其中仿软骨多区纤维支架由具有典型力学差异的上中下三层结构组成，三层结构的压缩模量分别为298kPa、182kPa、9.8kPa。多区结构实现力学模量匹配的同时具有不同的力学功能性，其中上层材料具备优异的抗剪切特性，中层材料通过纤维与高分子基体间的氢键作用，在剪切角度从0.08弧度到0.8弧度变化条件下，能量吸收可由8%增加值80%，实现了中层结构的能量吸收功能。申请人利用天然取向纤维泡沫作为底层增强材料，天然泡沫的取向结构与多孔性使得底层具有优异的力学承载特性，为软骨支架提供良好支撑作作用。同时底层泡沫的垂直取向结构，为细胞的取向运输提供了良好的通道，实验表明在底层取向纤维存在的条件下，通过毛细作用，可实现细胞由骨组织向缺损处的运输，这一过程可以大幅度提升软骨支架的修复功能。通过细胞实现验证了该类支架材料具有良好的生物相容性，此外相比于空白实验组，细胞的取向状态完全取决于纤维的取向状态，这种功能有助于细胞在不同区域内形成与天然软骨细胞相一致的取向结构，实现了关节软骨微区细胞形态调控，这对软骨修复再生具有重要意义。通过本项目的实施，其研究成果对复杂结构软骨支架的构建具有重要参考价值。.项目执行期间申请人共发表SCI文章12篇，其中作为通讯作者7篇，包括Advanced Functional Materials （2篇）, ACS Nano（1篇）, ACS Appl. Mater. Interface（2篇），Composite part B （1篇）等国际高水平期刊，参加学术交流12次，培养研究生6名，本科生7名。