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背景：在关节内骨的末端覆盖着一种独特的结缔组织——关节软骨,其功能为缓冲关节的静态和动态负荷、减轻关节运动时的摩擦并顺利完成关节的活动。健康的软骨是肢体活动的必需条件,各种关节创伤、骨关节病和骨关节肿瘤都会破坏关节软骨。软骨主要由软骨细胞、细胞外网状胶原纤维、糖胺多糖和水组成,由于其结构的特殊性,其内无血管及神经,其获得营养的方式也不同于其他组织。幼年时关节软骨主要靠软骨下骨输送营养,成年后主要靠与关节液进行物质交换来获得营养。由于与关节液进行物质交换需要软骨自身结构的完整,成年后又无软骨下骨的营养支持,所以关节软骨一旦受损很难恢复,最终往往导致关节炎,致使关节功能丧失。因此一直以来,关节软骨损伤的修复都是临床上棘手的热点问题。当下尚未有一种治疗软骨损伤的金标准方法,其治疗方法仍然存在较多争议。目前有药物疗法,生物疗法,外科手术治疗,生物工程材料植入治疗等。关节腔内注射药物是比较传统的治疗方法,如注射透明质酸,但药物仅能使关节面的摩擦应力减少,延缓关节退变,其对软骨的再生并无显著作用,因此只能起到缓解作用,无法去除病因。生物疗法是近十几年的新兴疗法,越来越受到重视,各种生物制剂的研发如火如荼,如骨髓间充质干细胞(BMSC)、富血小板因子血浆(PRP)等,大部分的动物研究表明其有效性,但临床应用尚未成熟,需要进一步明确长期疗效。外科手术治疗在临床上应用广泛,如微骨折术、钻孔术、自体或异体骨软骨移植,自体软骨细胞移植(ACI),虽然方法众多,但都有各自的局限性及缺点,且运用手术治疗所修复和重建的软骨与正常的关节软骨组织存在一定差异,而且手术中的微骨折的处理和自身软骨的移植也会造成损伤。生物组织工程材料近年来取得了巨大的进展,多种组织工程化的凝胶及支架被证实在软骨缺损的修复过程中起到促进作用。其作用原理是在软骨缺损部位形成了结构和强度类似于软骨基质的生物材料填充,既能在早期添补缺损部位,使关节面保持原有的形态,又能为间充质细胞提供良好的增殖和分化环境,在修复过程中使再生软骨更加接近正常软骨的形态及组织学特点。壳聚糖是一种天然高分子材料,具有天然的抗菌性能、生物可降解性能,以及良好的组织相容性,因此被广泛应用于组织工程及再生医学领域。壳聚糖在结构上与糖胺多糖(GAG)和关节软骨中的透明质酸具有相似性,其能为软骨细胞提供更加类似于软骨基质的环境,使重建的软骨组织接近正常软骨的形态,所以此类壳聚糖水凝胶被广泛的应用到软骨修复,这一点也在多篇文献中被证实。本实验所使用的材料为改性羟基磷灰石壳聚糖(CS/HA-g-CS)复合水凝胶,这种改性水凝胶的制备采用了物理交联方法,使羟基磷灰石纳米粒子与壳聚糖的相容性得到了提高,并能提高凝胶的抗压强度和延长了其降解的时间。软骨缺损后缺乏营养支持是软骨缺损难以修复的重要原因。大量文献报道制动会导致关节软骨退化,其原因在于成年后软骨无软骨下骨的营养支持需要靠与关节液物质交换来获取营养,关节活动所产生的关节内压力能促进关节液的流动,有利于软骨与关节液之间的物质交换,而制动会阻止这种作用。也有文献报道过强的关节活动都会导致软骨退变,目前普遍认为合适的应力刺激与正常软骨的生理活动密切相关,适度的运动能提高关节软骨的质量。关节运动过程中对关节软骨施加压力到无压力的周期变化使软骨如同周期性吸水和挤水的海绵,形成了所谓的“软骨泵”,这就是软骨获取营养的机制。软骨缺损后运动康复的理论基础便是软骨的营养机制,而且适度的运动还能减少损伤后关节内外的粘连,增加周围肌肉的肌力及肌腱和关节囊的稳定性。已有学者的研究发现中等强度跑台运动能提高软骨中糖胺多糖(GAG)和Ⅱ型胶原(College-Ⅱ)的含量并能促进非负重区关节软骨缺损的修复,高强度会破坏软骨而低强度作用并不显著。通过查阅大量文献,我们发现对跑台运动的研究大多是在正常软骨和未修复的软骨缺损上进行的,而跑台运动对于已进行修复的软骨缺损的作用未见报道。软骨缺损修复的机理为：缺损区软骨下骨的出血使缺损部位形成血肿,同时有多分化倾向的间充质细胞由基底部松质骨进入缺损区内并增殖,缺损区内形成了由红细胞、白细胞和未分化细胞组成的纤维素凝块,凝块进一步机化形成肉芽组织,肉芽组织化生形成成纤维软骨,而后再次机化为类透明软骨。我们假设在对大鼠软骨缺损进行组织工程修复治疗后进行了中等强度跑台运动康复锻炼,运动康复可能在软骨修复过程中干扰到间充质干细胞的增殖和分化,而在缺损处植入CS/HA-g-CS水凝胶可以在早期为缺损修复提供稳定的环境,减少应力对未分化间充质干细胞的影响,并在缺损处形成了类似软骨基质的结构,有利于间充质干细胞向软骨细胞分化。这样既能获得软骨泵的营养支持作用,防止关节内的黏连,又能避免跑台运动可能对修复组织产生的干扰,那么中等强度跑台运动结合CS/HA-g-CS水凝胶对大鼠髌股关节软骨缺损修复的效果是会优于单独进行跑台运动或单独使用CS/HA-g-CS水凝胶的效果的。为了证实我们的假设,我们进行了本实验的研究。目的：研究中等强度跑台结合改性羟基磷灰石壳聚糖(CS/HA-g-CS)复合水凝胶对大鼠髌股关节软骨缺损修复的效果。方法：将24只250-300g的雄性SD大鼠随机分为4组：空白对照组(BC组)、水凝胶植入组(CHI组)、跑台运动组(MIR组)、水凝胶结合跑台运动组(CHI+MIR组),建立直径1mm、深度1mm触及软骨下骨的圆柱形双侧髌股关节软骨缺损模型,CHI组和CHI+MIR组在缺损处植入改性羟基磷灰石壳聚糖复合水凝胶,其中MIR组和CHI+MIR组在造模后4周开始中等强度跑台运动(跑台坡度5。,20m/min×40min/d×5d/w),其余两组置于笼中自由喂养。分别在跑台运动后4周和12周切开关节行大体观察评分,取造模膝关节石蜡包埋切片并予以番红O.固绿染色行组织学观察,取缺损处修复组织行PCR检测其糖胺多糖(GAG)、Ⅱ型胶原(College-Ⅱ)、骨形态发生蛋白(BMP-2)的基因表达。结果：大体评分：4周时CHI+MIR组显著优于其余3组,BC组明显低于其余3组,MIR组和CHI组比较无统计学意义；12周时BC组低于其余3组,其余各组间比较无统计学意义。O’Driscoll组织学评分：4周时,CHI+MIR组显著高于其余三组(P<0.05),BC组显著低于其余三组(P<0.05),MIR组和CHI组比较无统计学意义(P=0.087)；12周时,CHI+MIR组显著高于其余三组(P<0.05),BC组显著低于其余三组(P<0.05),MIR组和CHI组比较无统计学意义(P=0.787)。Ⅱ型胶原mRNA的表达：4周时,各组间浓度差异有统计学意义(P=0.000),CHI+MIR组显著高于其他3组,MIR组显著高于BC组,BC组表达最低,CHI组与MIR组比较无统计学意义(P=0.063)；12周时,各组间浓度差异有统计学意义(P=0.007),BC组和CHI组显著低于MIR组和CHI+MIR组,其余各组间浓度差异无统计学意义(BC vs CHI P=0.369;MIR vs MIR+CHI P=0.463).糖胺多糖mRNA的表达：4周时,各组糖胺多糖均有表达,各组间浓度差异有统计学意义(P=0.047),BC组显著低于CHI组和CHI+MIR组,其余各组间浓度差异无统计学意义(BC vs MIR P=0.298;CHI vs MIR P=0.172;CHI vs CHI+MIR P=0.588;MIR vs CHI+MIR P=0.073);12周时,各组间浓度差异有统计学意义(P=0.000),CHI+MIR组显著高于其他3组,BC组显著低于其余三组,BC组表达最低,CHI组与MIR组比较无统计学意义(P=0.063)。骨形态发生蛋白mRNA的表达：4周时,各组间浓度差异有统计学意义(P=0.000),CHI+MIR组明显高于其他三组,其余各组间无统计学意义(BC vs CHI P=0.431;BC vs MIR P= 0.257;CHI vs MIR P=0.707);12周时,各组间浓度差异有统计学意义(P=0.006),BC组和CHI组显著低于M1R组和MIR+CHI组,其余各组无统计学意义(BC vs CHI P=0.557;MIR vs MIR+CHI P=0.329)。结论：中等强度跑台结合改性羟基磷灰石壳聚糖复合水凝胶对大鼠髌股关节软骨缺损修复的促进作用优于单独跑台运动或者单独植入水凝胶,其所修复的软骨Ⅱ型胶原和糖胺多糖含量更高,更加接近正常软骨形态特点。