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近期，东华大学化学化工与生物工程学院张彦中教授课题组在软骨组织工程研究领域取得最新进展，相关成果以“Engineering a highly biomimetic chitosan-based cartilage scaffold by using short fibers and a cartilage-decellularized matrix”为题发表于生物材料相关领域的主流期刊《Biomacromolecules》上。论文的第一作者为化学化工与生物工程学院的博士生沈炎冰。
天然关节软骨是一类由软骨细胞和细胞外基质（ECM）组成的致密性承力组织，其中ECM主要是由糖胺聚糖（GAGs）为主要成分的蛋白聚糖以及纤维结构蛋白（如II型胶原）构成。由于关节软骨的无血管、无神经和无淋巴特性，在受损之后很难自行愈合，目前对关节软骨损伤的有效治疗仍然是临床上面临的最具挑战性的问题之一。基于软骨组织工程方法，发展具有仿生天然软骨ECM结构的3D工程支架，并通过提供合适的力学支撑和生物化学信号促进细胞的生长及软骨特异性ECM的生成，是未来最有潜力的一种能实现软骨缺损再生性修复的治疗方法。壳聚糖由于其化学结构与天然软骨ECM中的GAGs结构相似的优势，常被制备成水凝胶支架用于软骨组织工程，但其自身仍存在湿态力学性能不足以及缺乏软骨诱导活性的弱点。针对壳聚糖的这两点主要不足，张彦中教授团队基于其课题组之前发展的柠檬酸改性的壳聚糖水凝胶（CC）体系，在其中引入将聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）电纺纤维加工成的短纤维（用于提高力学性能和实现软骨ECM结构仿生）和软骨脱细胞基质（CDM，用于提高软骨诱导活性），通过冷冻凝胶和冷冻干燥相结合的方法制备了可在结构和组成上高度仿生天然软骨ECM的软骨组织工程支架（图1）。结果表明，PLGA短纤维和CDM的引入能显著增强CC水凝胶的力学性能（压缩应力提升了349%，杨氏模量提升了153%，图2），同时具有大孔径、合适的孔隙率及快速吸水能力。通过体外软骨构建实验（图3）发现，PLGA短纤维和CDM的引入能促进体外新生软骨的形态更为光滑和成熟，沉积丰富的软骨ECM特异性成分（GAGs和II型胶原），同时形成明显的软骨特异性陷窝结构。将构建的高度仿生支架植入兔关节软骨损伤处进行原位软骨修复（图4）发现，新生组织能完全填满缺损处，和天然组织之间具有很好的整合度。新生的软骨形态光滑白亮，非常接近于天然软骨，并可以观察到明显的陷窝结构；软骨ECM的基本组成GAGs和II型胶原的沉积也更为显著。图1 （A）PLGA短纤维和CDM的制备；（B）通过冷冻凝胶法和冷冻干燥法制备CDM-Fib/CC高度仿生支架用于软骨组织工程图2（A）PLGA短纤维的SEM形貌图（插图为PLGA取向纤维形貌图）；（B）CDM粉末的SEM形貌图；（C）CC、Fib/CC、0.5CDM-Fib/CC和1.0CDM-Fib/CC四组支架的光学形貌图（上排）和SEM形貌图（下排）；（D-E）四组支架湿态下的静态压缩力学测试的应力−应变曲线（D）和杨氏模量（E）图3 体外构建工程软骨组织4周后的大体形貌观察、H&E染色、番红O染色和II型胶原免疫组化染色图4 体内关节软骨缺损修复12周后的大体形貌观察、H&E染色、番红O-固绿染色和II型胶原免疫组化染色（图中标尺代表1 mm）本研究中，研究人员首次在壳聚糖基水凝胶中引入PLGA短纤维和CDM，构建了具有高度仿生特性的软骨组织工程支架。PLGA短纤维的引入能从结构上提高CC水凝胶的仿生特性，提供物理信号来促进细胞的生长和软骨分化，同时满足支架植入体内后的力学支撑作用要求；而CDM是通过天然软骨组织脱细胞制备而来，保留了丰富的天然软骨活性成分，具有出色的软骨诱导活性以及原位细胞募集能力，从而能显著提升软骨修复和再生的效果。本研究证明所发展的高仿生壳聚糖基软骨组织工程支架在关节软骨损伤修复和再生方面所展现的巨大潜力，同时也为完善和最终实现壳聚糖基生物材料支架应用于关节软骨修复的临床转化提供了良好的研究基础和可能性。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、中央高校基本科研业务费学科交叉（理工）重点计划项目和国家重点研发计划项目等项目的经费支持。![]()
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c00366声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！![]()