东华大学游正伟和上海交大六院赵世昌联合团队：生物活性形状记忆弹性支架用于无细胞微创软骨修复

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创伤和炎症等引起的软骨损伤，常常引起剧烈疼痛，限制人体正常运动，严重影响生活质量。软骨中不含血管，其再生能力非常有限，难于修复，是临床上亟待解决的难题。目前尽管已有一些方法如生长因子注射、干细胞移植、自体或异体软骨移植等用于软骨修复，但它们大多为生物源，存在细胞和组织来源有限、生命体排异、潜在的疾病感染风险、操作复杂和费用高等问题。据此，东华大学纤维材料改性国家重点实验室游正伟教授团队和上海交通大学附属第六人民医院赵世昌医师团队共同研制了一种生物活性的形状记忆弹性支架实现了无细胞软骨再生，所用材料纯人工合成，精准可控，无生物源风险，为软骨修复提供了简便高效的方法。相关成果近日以“Biofunctionalized chondrogenic shape-memory ternary scaffolds for efficient cell-free cartilage regeneration”为题，发表于生物材料领域国际权威学术期刊《Acta Biomaterialia》。东华大学材料学院博士生轩慧霞是论文的第一作者，上海交通大学附属第六人民医院胡浩然博士是共同作者，游正伟教授和赵世昌主治医师是该论文的共同通讯作者。

利用功能有机小分子构筑生物活性的体温响应形状记忆多孔支架

该多孔支架是由一种促进软骨再生的生物活性小分子KGN、生物弹性体聚癸二酸甘油酯（PGS）和聚（1,3-丙二醇甘油酯）（PPS）杂化构筑。其中PGS是该团队长期研究的一种应用广泛的生物相容和生物可降解弹性体，其形成共价网络，可以根据缺损部位形状，定制支架的永久形状。结晶的PPS链段作为可逆开关相起到固定临时形状的作用。相较于传统的聚合物生物材料聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）等，PGS一个特点是有大量的自由羟基，可以进行多种化学修饰，方便地实现功能化。本工作中接枝了生物活性的小分子KGN，赋予了支架促进软骨再生的能力。

图 1生物活性形状记忆多孔支架的设计、制备和无细胞软骨修复应用示意图

支架展现了良好的生物降解性，在降解过程中，促进软骨再生的生物活性小分子KGN被缓慢释放（图2），控释时间长达3个月以上。

图 2支架体外降解和生物活性分子KGN的缓释

构筑的PPS/PGS/KGN三元支架展现了良好的体温形状记忆效应。较大的多孔支架可以被压缩固定到较小的紧凑状态，便于微创植入；植入体内后，在体温（37 ºC）下，支架自然恢复到设定的初始状态，修复组织缺损。该支架经过5个形状记忆过程后，仍保有98%的形状记忆固定率和97%的形状记忆回复率，并且其可定制成各种形状以满足不同的组织缺损需求。

图 3支架的体温响应的形状记忆行为

无细胞软骨修复应用

上述PPS/PGS/KGN支架，在体外实验中可促进骨髓间充质干细胞生长和向软骨分化；在体内实验中，无需外源生长因子和细胞，成功修复大鼠股骨髁软骨缺损（图4）。

图 4 体内软骨缺损修复的宏观图像及组织学染色

该工作为软骨缺损提供了微创无细胞原位再生修复的新材料。研制的体温响应形状记忆支架，还可以进行多重功能化，修饰其它生物活性分子，方便地用于其它组织的微创植入修复。同时该工作证实的利用功能小分子构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潜在的生物风险，可为类似的活性生物材料的设计提供参考。该工作获得了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、东华大学励志计划等项目资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.01.015

作者介绍

东华大学游正伟教授长期从事弹性体材料研制及其在生物医学和生物电子领域的应用。建立了酸诱导环氧开环聚合的合成新方法(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)、具有形状记忆(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)等功能的弹性体；通过工艺、设备、策略的创新，解决了3D打印中的一系列瓶颈问题，实现了包括上述热固性弹性体在内不易加工材料的3D打印(Mater. Horiz., 2019, 6, 394)，构筑了常规3D打印难于获得仿生血管网络等三维精细结构(Mater. Horiz. 2019, 6, 1197)；进而考察上述材料和加工技术在心肌(Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1900065)、血管(Biomaterials 2016, 76, 359; Acta Biomater. 2019, 97, 321)、气管(Sci. China Mater. 2019, 62, 1910)、子宫(Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1801455)、和骨(J. Mater. Chem. B, 2017, 5, 2468)等组织再生和可穿戴电子(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)等领域的应用。团队主页：http://pilab.dhu.edu.cn/zyou/

上海交通大学附属第六人民医院赵世昌主治医师长期致力于骨与软骨组织工程以及各类骨科疾患的临床诊治和基础研究工作，在应用生物材料及干细胞（外泌体）促进组织再生修复领域已积累丰富的研究经验，在Biomaterials、ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Eng. J.、Acta Biomater.、J. Mater. Chem. B以及Biomater. Sci.等学术期刊发表论文30余篇。

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