基于家蚕丝胶蛋白自愈合水凝胶的制备及其促软骨修复功能的研究

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关节软骨缺损作为一种常见的慢性疾病,严重影响了广大患者的生活质量,且传统治疗方法的长期修复效果并不理想。基于组织工程支架和干细胞的再生医学技术,可促进软骨再生,为软骨缺损修复提供了一种全新的治疗途径。水凝胶是一种非常有前景的生物材料,由于其物理结构与细胞外基质(Extracellular matrix,ECM)类似,因此能够维持干细胞的增殖和定向分化。然而,水凝胶的高含水量可能会导致较差的机械性能和较短的使用寿命,这极大的限制了水凝胶材料的临床应用。因此,设计与制备具有自行愈合功能的高生物相容性水凝胶,是当前组织工程的研究热点。家蚕丝胶蛋白(Silk sericin in Bombyx mori silkworm,SS)(以下统一称为丝胶蛋白)具有良好的生物相容性和降解性,在生物材料领域获得了广泛的关注。与此同时,氧化海藻酸钠(Oxidized sodium alginate,OSA)可以偶联多种生物活性物质,显著提高材料与细胞的相互作用。羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HAp)是人体骨骼和牙齿的主要无机成分,具有良好的骨诱导性,但由于脆性大、抗弯差等缺点,限制了其在生物材料领域的应用,因此常需要和其他生物材料复合以改善其功能。因此,本研究以SS、OSA和HAp为原料,在室温下通过席夫碱反应(Schiff Base)分别制备了 AD@SSO和AD@SSOH(添加HAp)自愈合复合水凝胶。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、高级旋转流变仪及万能拉伸试验机等方法分别对水凝胶的形貌、结构和力学性能进行了表征,之后检测了水凝胶的降解性能、孔隙率和自愈合性,并进一步探究了水凝胶对人骨髓间充质干细胞(Humanbonemarrowmesenchymal stem cells,hMSCs)增殖和分化的调控以及在动物体内促软骨修复的效果。结构与性能表征结果如下:制备的AD@SSO和AD@SSOH自愈合水凝胶支架内部均为多孔结构,孔隙率在70%以上。体外降解实验表明该水凝胶有明显的浓度依赖性和pH响应性,在pH6.0环境下,浓度越高,降解速率越慢。自愈合实验结果显示水凝胶具有良好的自愈合性能,在室温条件下无需其他外界刺激可自行愈合损伤,AD@SSOH水凝胶自愈合效率最高可达86%。流变测试和力学表征结果均显示当添加HAp后,AD@SSOH自愈合水凝胶的力学性能显著提高,最大应力可提高1.73倍。细胞与动物实验结果如下:该水凝胶具有良好的生物相容性,在体外可促进hMSCs的粘附、增殖和成软骨分化。实验结果证明水凝胶实验组中细胞的软骨相关基因(SOX9和COLⅡ)的表达水平显著上调(p<0.05),并产生更多特异性蛋白多糖沉积,说明AD@SSO和AD@SSOH水凝胶均有效促进hMSCs成软骨分化。此外,体外SD大鼠软骨缺损模型实验证明,相比空白对照组和AD@SSO水凝胶实验组,负载了 hMSCs的AD@SSOH水凝胶在大鼠体内的促软骨修复效果最佳,新生软骨组织与周围整合度较高,软骨表面光滑平整。上述结果表明本研究制备的AD@SSO和AD@SSOH自愈合水凝胶,兼具了良好的自愈合性能和生物相容性,且能够有效促进hMSCs的体外/体内成软骨分化。因此该水凝胶材料在软骨再生及其他生物医学领域具有巨大的潜力。
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