《AFM》浙大范顺武/唐睿康：重力渗透制备连续梯度矿化水凝胶用于骨软骨缺损修复

骨软骨是一个具有多级层状结构的复杂组织，包括软骨下骨和关节软骨。具体来说，骨软骨组织从表面到底部分为表面软骨、弹性软骨和纤维软骨区域。在这些不同的区域中，细胞外基质的组成、胶原纤维的取向和组织的机械性能都会梯度的发生改变。例如，的分布呈梯度分布，关节表面的透明软骨缺乏羟基磷灰石(HAP)，而在弹性软骨和纤维软骨中的含量逐渐增加。随着骨软骨区域矿物含量的梯度增加，其机械性能也相应增加。当前骨软骨缺损修复的主要难点在于模拟骨软骨区域的梯度结构，从而达到理想的修复效果。

图1 本研究整体策略示意图。

日前，浙江大学医学院附属邵逸夫医院范顺武教授团队与浙江大学唐睿康教授，合作发现可以利用重力渗透法制备具有连续梯度结构的矿化水凝胶用于骨软骨缺损修复。以聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)和透明质酸(HA)作为有机骨架制备连续梯度矿化水凝胶。PEGDMA是一种常见的水凝胶材料，具有良好的生物相容性和较强的吸水能力，因其具有潜在的活性官能团而被广泛应用于组织工程和生物医学领域。PEGDMA还可以在水凝胶内提供可观的材料硬度，满足组织修复所需的力学性能。透明质酸是存在于人体软骨和滑液中的天然成分，具有良好的生物相容性。透明质酸凝胶可以补充软骨细胞外基质，提供关节润滑和缓冲的作用。透明质酸具有抗氧化特性，可以中和自由基，减少氧化应激对细胞和组织的损伤。在这里，HA/PEGDMA的交联网络通过引入光敏剂而被成功建立。随后，通过重力渗透引入约2 nm的磷酸钙前驱相，使其具有连续梯度的矿物含量和力学性能。这种通过重力渗透作用制得的具有连续梯度结构的矿化水凝胶材料可以用于骨软骨缺损的有效修复。

图2 具有连续梯度结构的矿化水凝胶的相关表征。

通过这种方法制备的矿物水凝胶材料的表层压缩模量为636 KPa，下层压缩模量为1000 KPa，符合骨软骨部位的生物力学特征。需要强调的是，水凝胶内约2 nm的磷酸钙前驱体可以自发转化为HAP，所获得的HAP连续含量接近天然骨软骨复合材料。通过重力渗透诱导合成用于骨软骨再生的仿生水凝胶，可以用于骨软骨缺损修复。

图3水凝胶体外实验的相关结果。

在软骨下骨层，来自连续矿化水凝胶的HAP诱导骨髓间充质干细胞(MSCs)钙内流增加，激活钙/钙调素依赖性蛋白激酶2(CaMK2)，并通过钙信号通路促进MSCs的成骨分化。这种创新的梯度矿化方法在骨软骨缺损的动物模型上也取得了理想的修复效果（图3）。相较于没有梯度属性的水凝胶，连续梯度矿化水凝胶在骨体积/组织体积(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)和骨小梁数量(Tb.N)等修复指标上均显示出明显差异（图4）。

图4水凝胶体内实验的相关结果

总结：作者通过重力渗透法制备出具有连续梯度结构的矿化水凝胶，使其不仅在结构上模拟了自然骨软骨的复杂性，同时在功能上也实现了对骨软骨缺损修复的精准调控。这种材料的设计充分考虑了骨软骨单位的力学需求和生物学特性，使其在修复过程中能够为软骨层和软骨下骨层提供各自所需的特定环境。这种仿生材料的设计，不仅在理论上为骨软骨缺损的修复提供了新的视角，而且在实践中也为开发更有效的生物材料提供了有益的探索。通过精确调控材料的组成和结构，可以更好地模拟骨软骨的自然特性，有望在未来的骨软骨修复领域发挥重要作用。