骨-软骨界面再生修复的梯度活性支架与细胞响应关系

骨-关节软骨界面损伤是骨科常见疾病，但其难以自身愈合，借助于支架、细胞和生物信号相互作用而实现的再生医学方法已成为其重要的解决手段。由于骨-软骨界面过渡区细胞和基质的种类、结构和形态呈梯度分布，因此，在一定时间、空间和浓度下使支架能够对细胞提供连续梯度分布的生物信号刺激已成为必要条件。本项目拟通过电喷、单乳或复乳法形成的微球与相分离/粒子洗去相结合的复合方法，开展活性物质梯度分布的三维生物降解性多孔支架研究，探讨多种生长因子如BMP-2和TGF-β1等的连续梯度分布和顺序释放与人骨髓间充质干细胞的响应和协调关系。重点研究支架中生物活性物质的梯度包载含量与梯度释放动力学与PLGA等同类聚酯的化学结构、相对分子质量及其与明胶的物理与化学复合、纳米β-磷酸三钙含量、明胶致孔微球与支架孔径分布关系、微球制备参数等因素的依赖性和调控机制。开展本项工作，可开辟新型活性组织工程支架制备的新途径。

由于骨-软骨界面组织中细胞和基质的种类、结构和形态呈梯度分布，所以有必要使支架材料在一定时间、空间和浓度下对细胞提供连续梯度分布的生物信号刺激。为更有效地修复损伤的骨界面组织，本项目以生物活性梯度支架的制备方法及其与细胞响应关系为研究对象，重点研究了适用于骨-软骨界面组织修复的梯度活性支架材料。主要内容包括电纺纤维和电喷及复乳微球包载生物活性物质的研究、多孔梯度支架材料的制备与性能研究和生物活性蛋白的梯度浓度分布和顺序释放与细胞活性的响应关系。以聚丙交酯-co-乙交酯(PLGA)为原料，经相分离/粒子洗去法制备三维多孔支架。以不同粒径的明胶微球为致孔剂制备出孔径呈现梯度变化的PLGA多孔支架，体外细胞培养发现，成骨细胞在各孔径中都呈现增殖的趋势，细胞不仅能在支架表面很好地粘附和增殖，也能长入支架的内部，但孔径对细胞的分化没有显著影响。将电纺和电喷技术相结合制备了含有骨形态发生蛋白(BMP-2)呈梯度分布的纤维/微球复合支架，梯度支架能够促进前成骨细胞MC3T3-E1的钙沉积和碱磷酶活性(ALP)的表达，且BMP-2的梯度含量能够使细胞在梯度支架中呈现梯度分化。在支架中同时包载BMP-2和转化生长因子-β1(TGF-β1)两种生物活性蛋白，制备了凝胶/PLGA复合梯度支架，控制其在一定时间内顺序释放。凝胶中负载的TGF-β1可以诱导大鼠骨髓间充质干细胞(rMSCs)向软骨分化，而PLGA支架中含有的BMP-2能够促进rMSCs向骨分化，凝胶和PLGA支架分别为软骨和骨组织提供了良好的生长环境。体内2个月的试验表明，修复面较光滑，且与周围组织连接较好，表明该凝胶/PLGA复合梯度支架有可望用于骨-软骨界面组织的修复。本项目执行期间，已在Biomaterials, J. Mater. Sci.-Mater. M., J. Biomat. Sci.-Polym. E., Aust. J. Chem., Chinese Sci. Bull.等SCI收录期刊上正式发表论文7篇，申请9项国家发明专利，其中2项已授权，另有3论文正在投稿或撰写中。