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  關節骨軟骨缺損在臨床中十分常見，但是軟骨組織自修復能力差，而且軟骨修復 不佳會導致軟骨下骨退行性疾病。因此，軟骨再生修復是目前臨床面臨的一個巨大挑戰。水凝膠有與自然關節軟骨相似的結構、高含水量，是軟骨組織修復的一種理想材料。糖胺聚糖，如硫酸軟骨素、透明質酸等，是人體軟骨和其他組織細胞外基質的重要組成成分，在調節細胞功能，包括細胞遷移和與細胞膜受體結合傳遞信號等方面，起著重要的作用。因此，聚多糖基水凝膠具有潛在的軟骨修復性能。但粘性聚多糖的分子鏈是負電性的，缺乏細胞粘附位點，常表現出較弱的細胞親和性，不利于細胞的粘附。因此，有必要開發一種新型的聚多糖基水凝膠，使其同時具有良好的力學性能以及良好的細胞/組織相容性，以便更好的用于軟骨組織修復與再生。

  針對傳統的粘多糖基水凝膠的力學性能差無法滿足軟骨再生的力學要求，且細胞親和性有限不易固定細胞的問題，西南交通大學魯雄教授課題組，通過在多巴胺(DA)聚合過程中加入CS，形成 PDA-CS 復合物，并將 PDA-CS 復合物分散在彈性高分子網絡中，交聯形成具有促進軟骨再生的、細胞親和性的，仿貽貝組織粘附性硫酸軟骨素（CS）水凝膠。該水凝膠網絡中，PDA-CS 復合物能夠與高分子鏈發生多種非共價鍵相互作用，從而賦予水凝膠良好的韌性及可回復性。水凝膠中的 CS 組分能夠維持軟骨細胞的表型，誘導骨髓間充質干細胞向軟骨分化；PDA 組分具有良好的細胞親和性與組織粘附性。當該水凝膠植入軟骨缺損處后，水凝膠形成了仿軟骨細胞外基質的微環境，PDA不僅可以固定體液或血液中的內源性生長因子，還可以固定血液中的干細胞；而 CS能夠誘導細 胞軟骨分化。體內實驗證明該水凝膠能夠在無外源性生長因子的條件下，誘導軟骨組織的再生。

圖1仿貽貝組織粘附性硫酸軟骨素水凝膠的設計思路

（a）堿性氧化環境形成 PDA?CS 復合物。

（b）自由基聚合形成仿貽貝組織粘附性硫酸軟骨素水凝膠

（c）水凝膠植入軟骨缺損處。

（d）CS?PAM水凝膠不利于細胞粘附。

（e）PDA?CS?PAM 水凝膠中的PDA組分有利于生長因子的固定與細胞的粘附，從而使CS發揮其生物學功能。

圖2 分子動力學(MD)計算CS-PDA復合物

（a）CS初始模型

（b）CS-PDA復合物初始模型

（c） 單一CS，形成納米結構為疏松結構

（d）CS-PDA 復合物形成緊密的結構，說明PDA與CS存在較強相互作用，能夠形成納米結構。圖中，CS顯示為棍狀模型，PDA為球狀模型。

圖 3水凝膠力學性能

（a）（1）PDA-CS-PAM 水凝膠在壓縮后可回復；（2）CS-PAM 在壓縮后破損。

（b）PDA-CS-PAM 水凝膠的壓縮加載-卸載循環曲線。

（c-d）PAM， CS-PAM， PDA-PAM，以及PDA-CS-PAM水凝膠的壓縮曲線和壓縮強度。

（e）水凝膠的儲能模量（G’）。

（f） PDA-CS-PAM 水凝膠的損耗因子隨頻率變化。

圖4 水凝膠粘附性能

圖5軟骨細胞在水凝膠上的生物學行為

在培養 7 天后，粘附在（a）PAM, (b) CS-PAM，(c) PDA-PAM，(d) PDA-CS-PAM水凝膠表面的軟骨細胞的活死染色激光共聚 焦掃描圖片。

（e）軟骨細胞在不同水凝膠表面培養 3 天和 7 天后的增殖情況。

軟骨細胞在不同水凝膠表面培養 21 天后蛋白多糖（f）和 II 型膠原的表達量（g）

圖6 骨髓間充質干細胞（BMSC）在水凝膠上的生物學行為

在培養 7 天后，粘附在（a）PAM, (b) CS-PAM，(c) PDA-PAM，(d) CS-PDA-PAM 水凝膠表面的 BMSC 的活死染色激光共聚焦掃描圖片。

（e）BMSC 在不同水凝膠表面培養 3 天和 7 天后的增殖情況。

BMSC 在不同水凝膠表面培養 21天后蛋白多糖（f）和 II 型膠原的表達量（g）

圖 7 水凝膠體內軟骨修復評價

（a）兔膝關節缺損手術模型。

（b）術后 3 個月取樣照片，分別為空白對照組， PAM 水 凝膠， CS-PAM 水凝膠， PDA-CS-PAM 水凝膠。

（c）各組軟骨缺損修復情況的 ICRS 評分

（d-g）各組術后 6 周的 H&E染色分析，（d）空白對照組，（e）PAM 水凝膠處理組，（f）CS-PAM 水凝膠處理組，（g）PDA-CS-PAM 水凝膠處理組

（h）各組軟骨缺損修復標本的組織學 MODS 評分

  基于仿貽貝粘附機理，本研究制備了具有組織粘附性硫酸軟骨素水凝膠。通過 DA 在堿性含氧環境下的聚合形成 PDA-CS 復合物，將其摻入 PAM 網絡，形成 PDA-CS-PAM 水凝膠。當該水凝膠植入軟骨缺損處后，水凝膠形成了仿軟骨細胞外基質的微環境，PDA 不僅可以固定體液或血液中的內源性生長因子，還可以固定血液中的干細胞；而 CS 能夠誘導細胞軟骨分化。體內實驗證明該 PDA-CS-PAM 水凝膠能夠在無外源性生長因子的條件下，誘導軟骨組織的再生。總之，該 PDA-CS-PAM 水凝膠具有合適的力學性能、細胞粘附性和誘導軟骨再生功能，其中的 PDA 和 CS 協同創造無生長因子誘導軟骨再生的微環境，突破了粘多糖力學能差，缺少細胞粘附性的困難，是用于軟骨修復新型水凝膠的一大進步。

  相關成果以“Mussel-Inspired Tissue-Adhesive Hydrogel Based on the Polydopamine–Chondroitin Sulfate Complex for Growth-Factor-Free Cartilage Regeneration”為題在線發表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。論文的第一作者為韓璐博士。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目支持。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b05314