摘要
近日，國際期刊《Materials Today Bio》發(fā)表了一項創(chuàng)新性研究，題為"受天然關(guān)節(jié)組織啟發(fā)的雙相集成絲素蛋白/聚己內(nèi)酯支架用于骨軟骨再生"。該研究通過結(jié)合濕法靜電紡絲與氣體發(fā)泡技術(shù)，成功開發(fā)出一種具有連續(xù)界面和異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)的一體化支架，有效解決了傳統(tǒng)多相支架植入后易分層的問題，為骨軟骨缺損修復(fù)提供了新策略。
一、 支架制備方法
將SF/PCL按1：3和1：4比例溶解于六氟異丙醇，通過濕法靜電紡絲（參數(shù)：16kV電壓，0.5ml/h流速，75%乙醇收集）先后沉積形成雙層膜。隨后在CO2飽和乙醇中浸泡發(fā)泡，轉(zhuǎn)入水中促使CO2逸出形成3D結(jié)構(gòu)，凍干后對成骨層進行10%明膠涂層。
圖1 3DSP(1：3)/GelSP(1：4)的結(jié)構(gòu)和功能示意圖
二、 支架特性表征
通過優(yōu)化發(fā)現(xiàn)SF/PCL比例為1:3和1:4時最適合分別作為軟骨層和成骨層。氣體發(fā)泡成功將二維膜轉(zhuǎn)化為三維支架，厚度從0.1mm增至5mm，孔隙率從66%提升至84.7%。SEM顯示3D支架表面孔洞明顯，界面呈現(xiàn)自然連續(xù)過渡。
圖2 2D/3D SP(1：3)/SP(1：4)的制備與表征
FTIR和XPS證實SF與PCL成功復(fù)合，XRD顯示氣體發(fā)泡過程破壞了PCL的晶體取向。明膠涂層后，成骨層機械性能顯著增強（楊氏模量0.40±0.06 MPa vs 軟骨層0.19±0.02 MPa），模擬了天然骨軟骨的力學(xué)梯度。降解實驗表明成骨層降解慢于軟骨層，符合骨修復(fù)需要更長時間的生理特點。
圖3. 2D/3D SP(1：3)/SP(1：4)的理化特性
三、生物相容性與細胞行為
CCK-8檢測顯示3D支架上細胞增殖率顯著高于2D膜?；钏廊旧@示死細胞極少，細胞骨架染色表明細胞在3D支架上呈紡錘形充分伸展。更重要的是，雙標(biāo)記細胞實驗證實細胞可限定在各自層內(nèi)生長，界面處僅有有限混合，模擬了天然骨軟骨的漸變過渡。
圖4. MC3T3-E1在2D/3D SP(1：3)/GelSP(1：4)支架上的生物相容性和成骨分化潛能
四、分化潛能分析
免疫熒光和RT-qPCR結(jié)果顯示，3D支架上的成骨細胞OCN表達比2D組高1.4倍，軟骨細胞COL-II、SOX-9、ACAN基因表達分別提高3.9、2.7和3.2倍。表明3D環(huán)境更好地維持了細胞表型。
圖5. 種植在2D/3D SP(1：3)/GelSP(1：4)支架上的ATDC5的生物相容性和軟骨分化潛能。
五、體內(nèi)修復(fù)效果
大鼠實驗顯示，12周后3D支架組缺損修復(fù)最完整，ICRS評分最高（8.1±0.3）。組織染色顯示3D組形成透明樣軟骨，與宿主組織整合良好；Micro-CT定量分析顯示其骨體積分數(shù)（BV/TV=19.31%）、骨小梁數(shù)量（Tb.N=4.0/mm）均顯著優(yōu)于對照組。免疫組化證實3D組COL-II和OCN沉積最豐富。
圖6. 大鼠骨軟骨缺損的大體觀察及放射學(xué)評價
總結(jié)與展望
本研究成功開發(fā)了一種新型一體化雙相支架，通過濕法靜電紡絲-氣體發(fā)泡-不對稱涂層組合技術(shù)，構(gòu)建了具有自然界面和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的3DSP(1:3)/GelSP(1:4)支架。該支架不僅具有良好的力學(xué)性能和生物相容性，而且能夠模擬關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨的雙重微環(huán)境，有效維持細胞表型，在12周內(nèi)實現(xiàn)骨軟骨缺損的成功修復(fù)。
該研究為骨軟骨再生提供了一種簡單有效的支架構(gòu)建策略，未來通過整合藥物或生長因子釋放系統(tǒng)，有望進一步增強修復(fù)效果。這種仿生設(shè)計理念也為其他界面組織工程提供了重要參考。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2025.101737
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