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  創(chuàng)傷和炎癥等引起的軟骨損傷，常常引起劇烈疼痛，限制人體正常運(yùn)動，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。軟骨中不含血管，其再生能力非常有限，難于修復(fù)，是臨床上亟待解決的難題。目前盡管已有一些方法如生長因子注射、干細(xì)胞移植、自體或異體軟骨移植等用于軟骨修復(fù)，但它們大多為生物源，存在細(xì)胞和組織來源有限、生命體排異、潛在的疾病感染風(fēng)險、操作復(fù)雜和費(fèi)用高等問題。據(jù)此，東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室游正偉教授團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院趙世昌醫(yī)師團(tuán)隊(duì)共同研制了一種生物活性的形狀記憶彈性支架實(shí)現(xiàn)了無細(xì)胞軟骨再生，所用材料純?nèi)斯ず铣桑珳?zhǔn)可控，無生物源風(fēng)險，為軟骨修復(fù)提供了簡便高效的方法。相關(guān)成果近日以“Biofunctionalized chondrogenic shape-memory ternary scaffolds for efficient cell-free cartilage regeneration”為題，發(fā)表于生物材料領(lǐng)域國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Acta Biomaterialia》。東華大學(xué)材料學(xué)院博士生軒慧霞是論文的第一作者，上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院胡浩然博士是共同作者，游正偉教授和趙世昌主治醫(yī)師是該論文的共同通訊作者。

利用功能有機(jī)小分子構(gòu)筑生物活性的體溫響應(yīng)形狀記憶多孔支架

  該多孔支架是由一種促進(jìn)軟骨再生的生物活性小分子KGN、生物彈性體聚癸二酸甘油酯（PGS）和聚（1,3-丙二醇甘油酯）（PPS）雜化構(gòu)筑。其中PGS是該團(tuán)隊(duì)長期研究的一種應(yīng)用廣泛的生物相容和生物可降解彈性體，其形成共價網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)缺損部位形狀，定制支架的永久形狀。結(jié)晶的PPS鏈段作為可逆開關(guān)相起到固定臨時形狀的作用。相較于傳統(tǒng)的聚合物生物材料聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PCL）等，PGS一個特點(diǎn)是有大量的自由羥基，可以進(jìn)行多種化學(xué)修飾，方便地實(shí)現(xiàn)功能化。本工作中接枝了生物活性的小分子KGN，賦予了支架促進(jìn)軟骨再生的能力。

圖 1生物活性形狀記憶多孔支架的設(shè)計(jì)、制備和無細(xì)胞軟骨修復(fù)應(yīng)用示意圖

  支架展現(xiàn)了良好的生物降解性，在降解過程中，促進(jìn)軟骨再生的生物活性小分子KGN被緩慢釋放（圖2），控釋時間長達(dá)3個月以上。

圖 2支架體外降解和生物活性分子KGN的緩釋

  構(gòu)筑的PPS/PGS/KGN三元支架展現(xiàn)了良好的體溫形狀記憶效應(yīng)。較大的多孔支架可以被壓縮固定到較小的緊湊狀態(tài)，便于微創(chuàng)植入；植入體內(nèi)后，在體溫（37 oC）下，支架自然恢復(fù)到設(shè)定的初始狀態(tài)，修復(fù)組織缺損。該支架經(jīng)過5個形狀記憶過程后，仍保有98%的形狀記憶固定率和97%的形狀記憶回復(fù)率，并且其可定制成各種形狀以滿足不同的組織缺損需求。

圖 3支架的體溫響應(yīng)的形狀記憶行為

無細(xì)胞軟骨修復(fù)應(yīng)用

  上述PPS/PGS/KGN支架，在體外實(shí)驗(yàn)中可促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞生長和向軟骨分化；在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，無需外源生長因子和細(xì)胞，成功修復(fù)大鼠股骨髁軟骨缺損（圖4）。

圖 4 體內(nèi)軟骨缺損修復(fù)的宏觀圖像及組織學(xué)染色

  該工作為軟骨缺損提供了微創(chuàng)無細(xì)胞原位再生修復(fù)的新材料。研制的體溫響應(yīng)形狀記憶支架，還可以進(jìn)行多重功能化，修飾其它生物活性分子，方便地用于其它組織的微創(chuàng)植入修復(fù)。同時該工作證實(shí)的利用功能小分子構(gòu)筑生物活性材料的思路，避免了蛋白等生物大分子易失活和潛在的生物風(fēng)險，可為類似的活性生物材料的設(shè)計(jì)提供參考。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、東華大學(xué)勵志計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.01.015

作者介紹

  東華大學(xué)游正偉教授長期從事彈性體材料研制及其在生物醫(yī)學(xué)和生物電子領(lǐng)域的應(yīng)用。建立了酸誘導(dǎo)環(huán)氧開環(huán)聚合的合成新方法(Biomaterials 2010, 31, 3129; Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 28)，研制了一系列新型生物活性(ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 20591; J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 2090; Acta Biomater. 2019, 539, 351)、具有形狀記憶(J. Mater. Chem. B, 2019, 7, 123; ACS Biomater. Sci. Eng. 2019, 5, 1668)、自愈合(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 9590; Adv. Mater. 2019, 31, 1901402; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1901058)等功能的彈性體；通過工藝、設(shè)備、策略的創(chuàng)新，解決了3D打印中的一系列瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了包括上述熱固性彈性體在內(nèi)不易加工材料的3D打印(Mater. Horiz., 2019, 6, 394)，構(gòu)筑了常規(guī)3D打印難于獲得仿生血管網(wǎng)絡(luò)等三維精細(xì)結(jié)構(gòu)(Mater. Horiz. 2019, 6, 1197)；進(jìn)而考察上述材料和加工技術(shù)在心肌(Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1900065)、血管(Biomaterials 2016, 76, 359; Acta Biomater. 2019, 97, 321)、氣管(Sci. China Mater. 2019, 62, 1910)、子宮(Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1801455)、和骨(J. Mater. Chem. B, 2017, 5, 2468)等組織再生和可穿戴電子(Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805108; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 13948; Nano Energy 2019, 63, 103847; Nat. Commun. DOI: 10.1038/s41467-020-14446-2; Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201906994)等領(lǐng)域的應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)主頁：http://pilab.dhu.edu.cn/zyou/

  上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院趙世昌主治醫(yī)師長期致力于骨與軟骨組織工程以及各類骨科疾患的臨床診治和基礎(chǔ)研究工作，在應(yīng)用生物材料及干細(xì)胞（外泌體）促進(jìn)組織再生修復(fù)領(lǐng)域已積累豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，在Biomaterials、ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Eng. J.、Acta Biomater.、J. Mater. Chem. B以及Biomater. Sci.等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文30余篇。