酶响应生物力学动态聚氨基酸双网络水凝胶促进骨软骨再生

作     者：庄雅灵 刘恩渤 丁建勋 陈学思 

作者机构：中国科学院长春应用化学研究所中国科学院生态环境高分子材料重点实验室 吉林大学中日联谊医院骨关节与运动医学科 

出 版 物：《医用生物力学》 (Journal of Medical Biomechanics)

年 卷 期：2024年第S1期

页      面：328-328页

核心收录：

学科分类：1002[医学-临床医学] 100210[医学-外科学(含：普外、骨外、泌尿外、胸心外、神外、整形、烧伤、野战外)] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 10[医学] 

基　　金：国家自然科学基金项目,U23A20490,U21A2099 吉林省自然科学基金项目,20240101002JC,20240206003YY 

摘      要：骨软骨组织具有独特生物力学特性,通过机械生物学策略可显著促进骨软骨再生。组织工程是一种极具临床应用潜力的方案,但目前缺乏自适应于修复中动态力学微环境变化的支架。基于此,本团队设计了酶响应动态聚氨基酸水凝胶以提供时空生物力学动态的机械线索给干细胞,诱导其在不同阶段、不同层有不同增殖、分化行为。本文通过双交联网络结构设计提供动态力学线索。基于测定骨软骨微环境中碱性磷酸酶(ALP)活性梯度,在光交联第一网络基础上,ALP响应化学交联网络作为第二网络,在时间尺度上,满足在初期细胞增殖需求,较低硬度利于细胞增殖,在后期细胞分化阶段,软骨层能保持较低硬度促成软骨,而在软骨下骨层能动态增强力学性能成硬凝胶来调控成骨分化,形成空间尺度上自生梯度支架可精准高效促进骨软骨全层修复。酶响应聚氨基酸水凝胶在ALP作用下,储能模量随着酶催化时间的增加而增加(3 k Pa增至10 k Pa),这主要由于去磷酸化后生物正交化学交联度增加,第二交联网络形成,力学性能增加。在植入于兔膝关节骨软骨缺损部位8周,相比较于空白组和光交联单网络水凝胶组相比,酶响应双网络水凝胶组实现了全层高效再生修复,验证了动态自适应的力学梯度支架更有利于骨软骨全层再生。