超耐用、无细胞生物活性水凝胶促进软骨再生！
标题：Ultra-durable cell-free bioactive hydrogel with fast shape memory and on-demand drug release for cartilage regeneration
期刊名：Nature Communications
影响因子：16.6
作者单位：西安交通大学口腔医学院
文献地址：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43334-8
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-43334-8
引用产品：
ER0728 Rat ALP(Alkaline Phosphatase) ELISA Kit
ER0848 Rat COL1(Collagen Type I) ELISA Kit
骨关节炎（OA）是一种全球流行的致残性疾病。OA的主要发病机制是关节软骨的进行性丢失和破坏，最终可能导致关节变形和不动。然而，由于缺乏血管、淋巴管和神经以及特定的生物力学环境，天然关节软骨的再生能力受到了限制。因此，关节软骨缺损的修复在临床上仍然是一个巨大的挑战。
目前软骨功能恢复的策略包括微骨折、镶嵌成形术、软骨移植和药物治疗。然而，这些治疗可能会造成严重的组织损伤，并且疗效有限，也可能导致大多数晚期OA患者被迫使用关节成形术或全关节置换术。利用干细胞负载支架的组织工程已被认为是一种很有前途的软骨再生方法。先前的研究表明，负载间充质干细胞（MSC）的支架可以促进细胞增殖，并对软骨再生表现出有希望的治疗效果。水凝胶支架由于其与天然细胞外基质（ECM）类似的性质（高含水量、多孔结构和生物相容性），已在组织工程中得到广泛研究，其中具有微创手术潜力的可注射水凝胶以及良好的干细胞和药物负载能力已被证实对刺激软骨再生具有积极作用。然而，载有细胞的水凝胶通常表现出较低的机械性能，并且不能通过内窥镜递送系统保持其结构完整性，这使得它们不适合关节镜治疗。此外，基于干细胞的治疗仍然存在着一些问题，如细胞存活率低、免疫排斥反应、复杂的细胞培养程序、移植后再生能力下降以及伦理问题。
无细胞水凝胶支架
作为解决上述问题的替代解决方案，将细胞归巢剂引入支架中以从软骨下骨招募MSC进行软骨再生是一种极具吸引力的替代方案，其可以避免使用自体软骨组织并减少免疫排斥。目前的细胞募集策略通常基于细胞因子或功能肽，这些细胞因子或肽成本高昂，并可能对软骨下骨稳态造成潜在干扰或导致软骨钙化。此外，支架的机械强度也是至关重要的，因为与软骨组织匹配的机械性能可以促进募集的MSC的软骨分化。因此，理想的软骨修复无细胞水凝胶支架应具有以下优势：微创手术能力、足够的组织粘附性用于局部固定、与软骨组织相似的机械强度、干细胞募集和软骨细胞分化能力。有鉴于此，西安交通大学成一龙研究员、杨宇轩博士和中科院长春应化所陈学思院士合作通过加聚反应构建了一种负载单宁酸和卡托金的多氢键交联水凝胶，可作为体内软骨再生的无细胞支架。该水凝胶具有超耐用的机械性能和阶段依赖性的药物释放行为。研究证明，该水凝胶可以承受多达28000次加载-卸载机械循环，并在体温下表现出快速的形状记忆（30 s） ，因此具有微创手术的潜力。该水凝胶还可以缓解炎症反应，并在原位调节氧化应激，以建立有利于愈合的微环境。研究还发现，单宁酸和卡托宁的顺序释放可以促进骨髓间充质干细胞迁移到水凝胶支架中，然后诱导软骨细胞分化，从而在体内实现全层软骨再生。这项工作有望为解决软骨再生问题提供一个极具前景的方案。相关工作以“Ultra-durable cell-free bioactive hydrogel with fast shape memory and on-demand drug release for cartilage regeneration”为题发表在Nature Communications。
一、水凝胶制备
最近的研究已经表明，单宁酸（TA）可以促进不同细胞系的细胞迁移，包括上皮干细胞和间充质干细胞。TA是一种植物来源的天然多酚，具有多种生物活性。因此，将TA与水凝胶基质结合用于软骨工程不仅应该诱导靶向MSC迁移，而且还应该能调节炎症并减少原位组织再生的氧化应激。另外，卡托金（KGN）是一种疏水性小分子，已被证实在适当的剂量下可促进MSC分化为软骨细胞。因此，基于它们在水性环境中的溶解度，TA和KGN在水凝胶中的组合有望实现按需药物释放，以顺序募集MSCs，并刺激软骨细胞分化，加速新软骨的形成。
图1 PTK水凝胶药物释放行为
因此，作者将氢键增强因子咪唑烷基脲（IU）引入聚氨酯中，通过与聚乙二醇（PEG）和亚甲基二苯基4，4-二异氰酸酯（MDI）的加聚制备了多氢键介导的水凝胶（PMI）。而将TA和KGN同时加载到PMI水凝胶网络中，则可以最终形成目标水凝胶支架材料PTK。
二、支架性能
研究显示，由于水凝胶网络中氨基甲酸酯基团、IU和TA形成的多类氢键网络，PTK水凝胶显示出高达1.1 MPa的断裂强度 ，在28000次拉伸循环中具有稳定的机械性能，并且还具有良好的形状记忆能力，因此适用于微创手术并有利于在关节运动的持续机械刺激中保持网络完整性。
图2 PTK水凝胶机械和形变记忆性能
三、软骨再生
此外，TA的引入赋予PTK水凝胶足够的组织粘附性用于原位固定。在体内植入后，TA的优先释放也可以抑制炎症反应，清除过表达的活性氧，并防止潜在的细菌定植，以重建骨髓间充质干细胞（BMSC）归巢的适当微环境。随后，随着PTK水凝胶的逐渐降解，疏水性KGN以持续的方式释放，这可以促进募集的BMSCs分化为软骨细胞进行软骨再生。
图3 PTK水凝胶促进软骨再生示意图
结论与展望
作者最后还指出，益于动态氢键交联网络，PTK水凝胶还实现了热触发的快速形状记忆特性，这可以为微创手术提供有用的解决方案。然而，在实际应用中，快速回收过程可能会导致堵塞。氢键介导的形状记忆依赖于温度，更高的温度可能导致更快的形状恢复。因此，团队的进一步工作将旨在改善氢键相互作用，以提高网络重组的转变温度，并最终控制形状恢复率，使得支架在内镜转移过程中保持稳定，并在损伤部位的适当时间内恢复到初始形状。