近期，北京大学第三医院江东、黄洪杰和王健全研究组在科爱创办的期刊Bioactive Materials上联合发表研究论文：关节骨软骨缺损是运动医学和骨科常见的疾病，目前临床治疗效果有限，严重影响生活质量。需要同时修复软骨和骨缺损，并且软骨下骨组织的支撑作用对于软骨早期再生至关重要。本研究研发了硫酸软骨素水凝胶多孔锌双相支架同时修复骨软骨缺损，硫酸软骨素水凝胶修复软骨层，多孔锌修复骨组织并为软骨早期修复提供修复支撑。
1、研究内容简介
骨软骨缺损是运动医学和骨科常见的疾病，若未得到有效治疗，通常会导致骨关节炎的发生，并最终导致关节全面退变和残疾，严重影响生活质量。骨软骨是界面结构，由软组织层面向硬组织层面过渡转化，骨组织具有一定的内在再生能力，而软骨组织无血管、神经和淋巴组织，限制了其自我修复。虽然关节软骨与软骨下骨组织在结构组成，力学方面和再生能力差异巨大，关节软骨与软骨下骨组织功能高度关联，软骨能够提供良好的吸震和减摩作用，对骨组织起到重要的保护作用。与此同时，骨组织也能够为软骨提供机械支撑，共同维持关节的稳定性。目前临床治疗骨软骨缺损的方法，包括微骨折、软骨细胞移植、骨软骨移植，但这些方法均存在局限性并且效果有限。因此，研究人员开发出仿生组织工程策略来治疗骨软骨缺损。
本实验制备双相支架修复巴马猪骨软骨缺损，软骨成分应具有相对较低的压缩模量和水合粘弹性基质特性，而骨成分则需要具备相对较高的模量和刚性框架特性，同时修复软骨和软骨下骨组织来达到最佳治疗效果。
硫酸软骨素(chondroitin sulfate，CS)是一种硫酸化的糖胺聚糖，存在于软骨细胞外基质中，可以促进软骨细胞分泌II型胶原蛋白和糖蛋白。CS具有许多生物效应，包括抗炎和促进细胞生长等。CS还具有结构修复作用，即软骨保护效应，这种效应通过抑制炎症因子和金属蛋白酶的活性来促进骨骼和软骨组织的新细胞生长，并且还通过抑制降解酶的作用来修复骨软骨组织的退行性病变过程。经化学修饰后，CS水凝胶可表现出良好的生物相容性和生物降解性。经过化学修饰，CS水凝胶可以通过光固化合成。所得的CS水凝胶表现出良好的生物相容性和生物降解性，通过使用光固化水凝胶的前体，可以在植入体内时生理条件下实现快速交联，该过程允许对凝胶进行精确的空间和时间控制，从而便于应用于复杂形状。因此，光固化水凝胶是适合于原位注射软骨修复的理想选择。
锌（Zinc, Zn）基材料是新一代可生物降解金属材料。Zn是人体内含量第二高的微量元素，也是机体内各种酶促反应的关键物质，参与机体的生长、发育、免疫反应和酶促反应。Zn腐蚀速率较慢，体内实验表明，Zn基材料具有良好的生物相容性。与Mg基材料相比，Zn基材料的化学性质更稳定，在降解过程中不会产生氢气，也不会引起周围环境pH值的波动，因此更适合于临床应用。Zn还具有成骨效应，Zn2+可通过激活cAMP-PKA-CREB/MAPK通路，触发细胞外钙离子内流，诱导BMSCs 的成骨分化，并可通过抑制NF-κB通路的激活而抑制破骨现象。其主要缺点在于其较低的力学强度无法满足骨科植入物的要求。为了克服这一问题，当前的研究热点是将锌与一些其他金属元素形成合金，如镁（Mg）、钙（Ca）、锰（Mn）、铜（Cu）、锂（Li）等。通过将锌与这些金属元素合金化，可以在一定程度上改善锌的力学强度，并确保其自身腐蚀速率及降解过程不受影响。然而，需要注意的是，软骨下骨为松质骨结构，相较于皮质骨具有不同的应用需求。纯Zn材料力学性能相对较弱的缺点，在关节骨软骨缺损治疗中，这一弱点反而成为其优势。当纯锌经过增材制造形成多孔结构后，其刚度与软骨下骨非常接近，从而为软骨再生提供了具有接近生理性质的机械支撑，从而减少软骨修复过程中关节内产生的剪切力。
图1：CS-Zn双相支架的制备及表征。A) 多孔锌支架的宏观和微观尺度；B) 多孔锌支架的电子背散射表征；C) 多孔锌支架的压缩应力-应变关系；D) MACS水凝胶的扫描电子显微镜图像；E) MACS水凝胶在水中的膨胀行为；F) MACS水凝胶的压缩应力-应变关系；G) CS-Zn双相支架的宏观和微观尺度；H ) CS-Zn双相支架体外降随浸泡时间的变化过程 (灰色：锌支架，红色：降解产物)；i) 锌离子浓度随浸泡时间的变化过程；J) 第1天和第28天的降解产物的扫描电子显微镜图像；k) 第28天的降解层的EDS图。
在巴马猪的骨软骨缺损模型中，这种仿生双相支架不仅展示了强大的促透明软骨形成（具有典型的软骨陷窝结构、优良的机械强度以及软骨特异的ECM沉积及排队）的能力。还促进了软骨下骨组织的再生，术后三个月多孔锌支架降解约18.5%，术后六个月降解约27.8%，有望在两年内完全降解，符合骨科植入物的最佳降解速率（1-2年）。
图2：使用CS-Zn双相支架促进骨软骨修复与透明软骨形成的示意图。
综上所述，受Zn成骨作用及与松质骨弹性模量接近的启发，该研究首次设计并合成了一种仿生CS-Zn双相支架支架。该支架通过增强细胞生存和骨软骨分化，模拟天然软骨下骨组织对软骨再生的生理性支撑并促进骨组织再生，从而加速骨软骨组织的修复和透明软骨的形成。该研究为新型仿生支架的进一步开发应用奠定了理论基础，并为临床骨软骨缺损的修复提供新的思路。
图3：修复软骨的组织学评价及生物力学试验
图4：术后24周修复组织胶原纤维分布的定量分析
图5：术后12周和24周多孔锌支架的显微ct图像、硬组织切片评估、扫描电镜图像和元素分布分析
原文信息
Yang F, Li Y, Wang L,Che H, Zhang X, Jahr H, Wang L, Jiang D, Huang H, Wang J.
Full-thickness osteochondral defect repair using a biodegradable bilayered scaffold of porous zinc and chondroitin sulfate hydrogel.
Bioactive Materials, 32 (2024): 400-414.
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.10.014
