骨关节炎(Osteoarthritis,OA)是最常见的关节疾病,表现为关节软骨的进展性破坏、滑膜肿大和关节下骨的致密化及囊肿,疼痛、关节功能障碍和畸形是其主要的临床特征,可影响膝、髋、脊柱和手指的正常功能。目前的治疗方法主要集中在疼痛抑制、补充疗法(关节内注射透明质酸)和关节替换,但这些方法都不能从根本上抑制OA的病理性加重。生物材料和再生医学的发展,为OA的治愈带来了福音,但是,当前的生物材料方案因缺少对OA病程加重的针对性和炎症环境的抵抗作用而导致OA治疗效果仍不理想。OA病理进程是一个关节功能不断丧失的复杂过程,炎症在其中起到了重要的促进作用。目前研究已经确认其主要分为4个阶段:1.软骨表层缺损,润滑功能减弱,软骨基质开始流失;2.基质不断流失,刺激免疫细胞分泌促炎因子,形成炎症微环境;3.多种组织受炎症刺激异化,分泌大量致炎因子和基质降解酶,形成正反馈通路,基质大量流失;4.炎症微环境进一步发展,多种组织并发症、软骨下骨开始重建,基础力学功能丧失。因此,要抑制OA的病理性加重,就必须先找到OA各阶段间转换的具体病灶特点,再根据这些具体病灶使用针对性的生物功能材料来治疗OA。根据上述思路,论文开展了下列研究。首先,使用免疫细胞、滑膜炎症细胞和软骨细胞,结合水凝胶与组织共培养技术,构建了能较真实模拟OA加重中轻度、中度和重度3种炎症微环境的三维共培养体系,即体外EPL-OA模型。通过对该模型生物学特性的研究,包括检测炎症环境的形成和组织中合成代谢和分解代谢通路的变化,探究OA阶段转换特点中的关键生物学因素。同时,模型的构建也为早期筛选用于治疗OA的药物和生物材料供了平台。第二,通过轻度OA模型的研究,发现在OA早期(第1阶段),间断性炎症因子的释放不会产生炎症微环境,因此可以通过恢复润滑功能避免因磨损造成的免疫组织激活。基于天然关节润滑系统的机制,构建了透明质酸为主链的亲水性HPA和两亲性HPM两种二级刷状聚电解质组成的HPX仿生滑液体系,确定了其最佳浓度比(HPA+HPM,1 mg/mL+0.2 mg/m L)。该体系直接模拟了天然关节润滑系统中最为重要的软骨表层超分子网状结构。采用流变仪测试了HPX在正常和受损软骨摩擦副上的摩擦系数,结果表明,与临床上常用的关节注射用透明质酸相比,HPX滑液体系的润滑效果可升15-26%,而且不会对软骨及滑膜组织产生细胞毒性、炎症反应和透明软骨表型异化等副作用。上述结果表明,HPX仿生滑液体系可以治疗早期的OA,抑制OA从第1阶段向第2阶段加重。第三,根据中度和重度OA模型的研究,发现炎症微环境会引起模型中软骨合成代谢和分解代谢通路的失衡,示了可从阻断炎症组织间促炎因子的交流入手,抑制OA从第2阶段向第3阶段的加重。本工作将HPX仿生滑液体系与体外EPL-OA模型共培养,检验HPX滑液体系在炎症环境中的稳定性及对模型炎症微环境的影响。发现滑液体系在轻度和中度炎症环境中可保持较好的稳定性和润滑功能,在重度炎症环境下功能丧失较快。同时,滑液体系的加入能显著减少OA模型中促炎因子的含量,缓解模型中软骨基质的降解,对抑制炎症的加重有一定的效果。研究说明,通过阻断炎症组织间信号交流的方法是有效的,HPX仿生滑液体系也可以一定程度地抑制OA从第2阶段向第3阶段加重。中度和重度OA模型的研究结果还示,除阻断炎症因子交流外,引入具有软骨细胞再生能力(新的基质分泌)的手段才可以根本上抑制OA从第2阶段向第3阶段的加重。因此,需要构建具有软骨再生能力和抗炎能力的多能型水凝胶。本工作以改性氨基葡萄糖作为活性位点,制备了可包被干细胞的氨糖改性聚乙二醇(PEG-g-GA)水凝胶,体内和体外实验都证实了该凝胶可以诱导其包被的骨髓间充质干细胞分化为透明软骨,同时具有一定的抗炎能力。说明氨糖改性凝胶的构建可用于抑制OA从第2阶段向第3阶段加重。最后,OA模型的研究示,要实现有效抑制OA从第3阶段向第4阶段加重,需利用材料支架优先做好基础力学支撑,同时兼顾润滑和生物相容性问题。因此,本文在课题组前期-磷酸三钙(-TCP)/聚乙烯醇(PVA)上层密实下层多孔的一体化修复凝胶基础上进一步优化,继续保持其良好的拉伸压缩性能,并使其上层具有良好的润滑性能和软骨细胞有效贴附的能力,同时一体化凝胶下层的多孔结构能较好地诱导间充质干细胞向成骨分化,从而形成良好的力学支撑。综上所述,本研究利用水凝胶结合组织共培养技术构建了模拟OA病理进程中关键生物学因素的体外EPL-OA模型。该模型在用于探究OA加重具体阶段的炎症微环境变化并指导生物材料治疗OA和早期检验药物与生物材料疗效方面有重要意义。在此基础上出了抑制OA不同阶段进展性加重的策略,分别采用HPX仿生滑液体系、氨糖改性PEG-g-GA凝胶和-TCP/PVA双层一体化凝胶进行了实验验证研究,证明这些方法在抑制OA进展性加重和功能恢复方面具有一定效果,为实现OA的有效治疗供了一定的理论依据和有价值的参考数据。