骨软骨损伤同时累及关节软骨和软骨下骨，二者在基质组成、细胞类型、自修复能力等方面具有极大的差异性，给临床治疗带来巨大挑战。传统疗法无法从根本上恢复病变软骨的功能，再生修复疗法中组织工程法极具潜力。在骨软骨组织工程中，从组成、结构、生物学功能等方面构建可同时利于两种组织再生的仿生支架是实现骨软骨缺损再生修复的关键策略。天然骨软骨组织中，软骨与骨之间的界面过渡层发挥着传递负荷、缓冲应力等重要的生理功能，骨-软骨界面的重建是骨软骨缺损高质量修复的难题。Kartogenin（KGN）作为一种新发现的小分子药物被广泛用于促进软骨再生，但其在骨软骨缺损中对骨再生影响的研究未有报道。
近日，武汉理工大学戴红莲教授团队联合浙江大学附属第一医院胡懿郃教授团队采用3D打印构建了一种组分、孔径梯度分布的可注射双层骨软骨仿生支架，在大鼠骨软骨缺损模型中展示了其治疗效果，首次发现KGN具有同时促进软骨与软骨下骨再生的双重作用，并通过拉曼技术证实了骨-软骨界面的重建。该支架的软骨层和软骨下骨层以不同比例复合的甲基丙烯酰化海藻酸钠（SAMA）和甲基丙烯酰化明胶（GelMA）为主要成分，实现了两种组织对支架孔径大小的不同需求，同时保证了层间界面的良好结合。此外，软骨层水凝胶中的高浓度KGN可促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成软骨分化，而软骨下骨层水凝胶中的低浓度KGN与β-磷酸三钙（β-TCP）通过软骨内骨化方式协同促进BMSCs的成骨分化。这种基于KGN单一因子同时实现成软骨及成骨的“一石二鸟”策略为全层骨软骨缺损的一体化修复提供了一种新的思路。相关研究成果以“A One-Stone-Two-Birds Strategy for Osteochondral Regeneration Based on a 3D Printable Biomimetic Scaffold with Kartogenin Biochemical Stimuli Gradient”为题于2023年2月10日发表在《Advanced Healthcare Materials》上。武汉理工大学博士研究生魏雯颖和中南大学附属湘雅三医院骨科刘文斌助理研究员为文章共同第一作者，武汉理工大学戴红莲教授与浙江大学附属第一医院胡懿郃教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市基础研究重点项目等项目的支持。图1. 骨软骨双层水凝胶支架的设计策略。该双层水凝胶在组分上基于SAMA、GelMA、丙烯酰化β-环糊精及β-TCP，疏水KGN分子通过主客体相互作用被包封到环糊精的疏水空腔中，含双键的SAMA、GelMA及丙烯酰化β-环糊精则通过光引发实现聚合。在体外实验及皮下植入动物模型中，BMSCs被包埋在两种水凝胶中；在大鼠骨软骨缺损模型中，依次逐层注射软骨下骨层及软骨层水凝胶，后通过光引发实现原位聚合。图2. 骨软骨一体化水凝胶支架的制备与理化性能表征。该双层水凝胶支架具有良好的界面整合性、可打印性及长效药物缓释能力；孔径较小的软骨层水凝胶可限制血管长入，而孔径较大的软骨下骨层有利于血管生长。图3. 软骨层水凝胶及软骨下骨层水凝胶的细胞相容性。BMSCs在软骨层水凝胶中呈椭圆形类软骨细胞样，而在软骨下骨层水凝胶中呈梭形铺展类成骨细胞样。图4. 软骨下骨层水凝胶中的BMSCs在体外及体内（大鼠皮下植入）的成骨分化。同时负载β-TCP与KGN的水凝胶具有最多的钙化结节、最高的OCN与COL I表达及最大的骨体积值。低浓度KGN可有效介导BMSCs生成软骨模板，而β-TCP通过膜内骨化模式直接诱导BMSCs的成骨分化，二者协同作用，以软骨内骨化方式诱导BMSCs向成骨细胞分化。图5. 双层仿生支架促进大鼠全层骨软骨缺损再生。大体图及Micro-CT结果均表明，软骨层负载高浓度KGN、软骨下骨层负载低浓度KGN及β-TCP的水凝胶支架可达到最优的骨软骨缺损修复效果。图6. 骨软骨缺损一体化修复后的组织学评价及拉曼分析。基于KGN浓度梯度的仿生支架可促进表面平整光滑、分层排布结构清晰、与邻近组织整合良好的骨软骨组织的再生，并实现骨-软骨界面结构重建。--纤维素推荐--
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文章来源：
https://doi.org/10.1002/adhm.202300108声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！