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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，限制人體正常運動，嚴重影響生活質(zhì)量。軟骨中不含血管，其再生能力非常有限，難于修復，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、干細胞移植、自體或異體軟骨移植等用于軟骨修復，但它們大多為生物源，存在細胞和組織來源有限、生命體排異、潛在的疾病感染風險、操作復雜和費用高等問題。據(jù)此，東華大學纖維材料改性國家重點實驗室游正偉教授團隊和上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院趙世昌醫(yī)師團隊共同研制了一種生物活性的形狀記憶彈性支架實現(xiàn)了無細胞軟骨再生，所用材料純?nèi)斯ず铣桑珳士煽兀瑹o生物源風險，為軟骨修復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)威學術(shù)期刊《Acta Biomaterialia》。東華大學材料學院博士生軒慧霞是論文的第一作者，上海交通大學附屬第六人民醫(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。

利用功能有機小分子構(gòu)筑生物活性的體溫響應形狀記憶多孔支架

  該多孔支架是由一種促進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是該團隊長期研究的一種應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，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一個特點是有大量的自由羥基，可以進行多種化學修飾，方便地實現(xiàn)功能化。本工作中接枝了生物活性的小分子KGN，賦予了支架促進軟骨再生的能力。

圖 1生物活性形狀記憶多孔支架的設計、制備和無細胞軟骨修復應用示意圖

  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。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，支架自然恢復到設定的初始狀態(tài)，修復組織缺損。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支架的體溫響應的形狀記憶行為

無細胞軟骨修復應用

  上述PPS/PGS/KGN支架，在體外實驗中可促進骨髓間充質(zhì)干細胞生長和向軟骨分化；在體內(nèi)實驗中，無需外源生長因子和細胞，成功修復大鼠股骨髁軟骨缺損（圖4）。

圖 4 體內(nèi)軟骨缺損修復的宏觀圖像及組織學染色

  該工作為軟骨缺損提供了微創(chuàng)無細胞原位再生修復的新材料。研制的體溫響應形狀記憶支架，還可以進行多重功能化，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。同時該工作證實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險，可為類似的活性生物材料的設計提供參考。該工作獲得了國家自然科學基金、上海市自然科學基金、東華大學勵志計劃等項目資助。

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

作者介紹

  東華大學游正偉教授長期從事彈性體材料研制及其在生物醫(yī)學和生物電子領(lǐng)域的應用。建立了酸誘導環(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、設備、策略的創(chuàng)新，解決了3D打印中的一系列瓶頸問題，實現(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)絡等三維精細結(jié)構(gòu)(Mater. Horiz. 2019, 6, 1197)；進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)域的應用。團隊主頁：http://pilab.dhu.edu.cn/zyou/

  上海交通大學附屬第六人民醫(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，在應用生物材料及干細胞（外泌體）促進組織再生修復領(lǐng)域已積累豐富的研究經(jīng)驗，在Biomaterials、ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Eng. J.、Acta Biomater.、J. Mater. Chem. B以及Biomater. Sci.等學術(shù)期刊發(fā)表論文30余篇。