丝素基复合双相水凝胶支架在骨软骨组织工程中的应用及机制研究

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背景骨软骨损伤作为骨关节炎(Osteoarthritis,OA)早期病变表现,软骨组织缺乏再生修复能力,常持续进展至整个关节功能的破坏,造成全球近五分之一中老年人群的健康问题。目前仍缺乏有效的治疗手段来修复骨软骨损伤,达到逆转OA进展的目的。随着现代医学技术的发展,组织工程支架在骨软骨再生修复方面展现出了巨大的潜力,为骨软骨损伤一体化修复提供了新的方案。目的利用生物相容性好、力学强度高、易于加工编辑的丝素蛋白(Silk fibroin,SF)作为支架主体材料,结合富血小板血浆(Platelet-rich plasma,PRP)发挥募集组织细胞的作用,再引入小檗碱(Berberine,BBR)和Kartogenin(KGN)分别促进软骨下骨层和软骨层的修复。将4者有机结合构建纯丝素基复合载药水凝胶支架用于骨软骨一体化修复。方法1、提取SF,制备具备光固化性能的甲基丙烯酰化丝素蛋白(Methacrylated silk fibroin,SilMA)水凝胶,并对其进行材料性能表征。2、利用SF制备SF-BBR,载药微球和SF-KGN载药微球,并对其进行表征。3、提取并激活PRP。将SilMA溶液与PRP共混后分别包载SF-BBR载药微球和SF-KGN载药微球,构建丝素基复合载药水凝胶。对所制备的水凝胶进行物理性能表征、体外细胞实验和体内动物实验验证其骨软骨组织修复能力。结果1、30%SilMA水凝胶形成的三维支架呈现良好的孔隙结构和孔隙连通性,具备良好的溶胀性,极强的力学性能和缓慢的降解速率。2、通过调节SF浓度可制备出不同粒径尺寸的纳微米球。将BBR和KGN包载进10%SF微球中,其载药率分别达到4.31%和3.16%。3、PRP制备完成。以30%SilMA水凝胶为主体,结合PRP、SF-BBR和SF-KGN载药微球的双相复合载药水凝胶同样呈现良好的孔隙结构和孔隙连通性,具备良好的溶胀性,极强的力学性能、缓慢的降解速率和良好的生物相容性。4、载药微球水凝胶可在体外缓释BBR和KGN达90天。5、低浓度PRP 6h内可显著促进骨髓间充质干细胞(Bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)迁移。10μM浓度的BBR和KGN能分别显著促进BMSCs的成骨分化和成软骨分化。将PRP、SF-BBR载药微球和SF-KGN载药微球负载于SilMA水凝胶上可同样实现上述功能。6、复合载药水凝胶在炎症状态下仍具备促BMSCs成骨分化和成软骨分化能力。PRP与BBR和KGN在诱导BMSCs分化方面均存在一定的协同作用。7、将复合载药水凝胶植入骨软骨缺损大鼠体内,在8周的时间内展示出了良好的骨及软骨双相组织修复的效果。结论材料表征、体外及体内等实验结果显示,在本研究中我们所构建的丝素基复合载药水凝胶支架具备良好的骨软骨缺损修复能力。相关材料组分SF、PRP和BBR均有成功的临床使用经验。本研究可为开发一款具备临床实用潜力的骨软骨修复支架提供一个新的思路。
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