骨軟骨損傷是一種常見且難以治療的疾病，尤其在運(yùn)動(dòng)損傷和老齡化人群中發(fā)病率較高。由于軟骨缺乏血管和神經(jīng)供應(yīng)，其自我再生能力極為有限，因此現(xiàn)有的臨床治療方法主要集中在緩解癥狀，如使用鎮(zhèn)痛藥和抗炎藥物，但這些方法對(duì)實(shí)際損傷修復(fù)的效果有限。組織工程學(xué)方法雖然被用于輔助骨軟骨修復(fù)（例如微骨折術(shù)），但在生物活性因子的傳遞、化學(xué)改性的實(shí)現(xiàn)以及生物力學(xué)因素的優(yōu)化方面仍面臨顯著挑戰(zhàn)。近年來，電刺激因其在多種生理過程（包括神經(jīng)功能和組織再生）中的重要作用，逐漸被應(yīng)用于促進(jìn)骨和軟骨的再生，研究表明低電壓電刺激有利于軟骨分化，而高電壓有助于骨生成。然而，目前用于生物電刺激的材料大多存在生物降解性不足的問題，例如含重金屬的鹽類材料雖具有良好的壓電性能，但不適合長(zhǎng)期植入，而傳統(tǒng)的壓電聚合物則不可降解，因此限制了其在生物醫(yī)用中的廣泛應(yīng)用。基于此，該研究旨在設(shè)計(jì)一種可降解的壓電-導(dǎo)電復(fù)合水凝膠支架，通過壓電修飾的脫細(xì)胞外基質(zhì)（dECM）和導(dǎo)電修飾的明膠（Gel-PC）形成雙層水凝膠支架，結(jié)合壓電和導(dǎo)電特性，以促進(jìn)軟骨和骨的雙向分化，提供一種更符合生理需求的骨軟骨修復(fù)平臺(tái)。相關(guān)工作以“Biodegradable Piezoelectric-Conductive Integrated Hydrogel Scaffold for Repair of Osteochondral Defects”為題發(fā)表在《Advanced Materials》。

https://doi.org/10.1002/adma.202409400

研究?jī)?nèi)容

研究團(tuán)隊(duì)展示了一種基于壓電和導(dǎo)電雙層水凝膠支架的骨軟骨修復(fù)方法。首先，通過脫細(xì)胞外基質(zhì)（dECM），經(jīng)過修飾和冷凍干燥形成壓電層；隨后，與明膠和導(dǎo)電材料PEDOT結(jié)合，制備出兼具壓電和導(dǎo)電特性的復(fù)合層。該支架植入骨軟骨缺損部位后，機(jī)械信號(hào)引發(fā)壓電效應(yīng)，吸引骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）遷移并在不同的微環(huán)境下分別分化為軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞。其中，軟骨分化依賴TLR和PI3K-Akt通路，而成骨分化則通過Ca2+-CAMK2D和TGF-β信號(hào)調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)軟骨與骨組織的同步修復(fù)。

圖1 基于壓電-導(dǎo)電雙層水凝膠支架的骨軟骨同步修復(fù)策略

團(tuán)隊(duì)展示了壓電-導(dǎo)電復(fù)合水凝膠支架的制備過程及其物理、機(jī)械和電學(xué)性能。圖2a顯示了壓電和導(dǎo)電層的結(jié)合方式，通過受壓引發(fā)電流產(chǎn)生輸出電壓。圖2b展示了支架底層（Gel、Gel-C和Gel-PC）和頂層（dECM和dECM-P）在顯微鏡下的結(jié)構(gòu)形貌。圖2c、d和e評(píng)估了材料的電阻抗、導(dǎo)電性和電流響應(yīng)性能。圖2f和2g展示了支架在受力條件下的電流與電壓穩(wěn)定性。圖2h至圖2j分析了復(fù)合支架的應(yīng)力分布、相對(duì)變形和壓縮應(yīng)力響應(yīng)。圖2k和l測(cè)量了水凝膠的吸水膨脹比和含水量，而圖2m顯示了不同條件下支架的降解率。整體結(jié)果表明，該復(fù)合支架具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的電學(xué)性能，適合用于骨軟骨修復(fù)中的力電刺激應(yīng)用。

圖2 壓電-導(dǎo)電水凝膠復(fù)合支架的制備及其物理性能表征

團(tuán)隊(duì)展示了壓電-導(dǎo)電復(fù)合水凝膠支架在促進(jìn)MSCs成軟骨和成骨分化中的應(yīng)用效果。圖3a概述了實(shí)驗(yàn)流程，MSCs在支架上受力后，通過力電刺激分別促進(jìn)成軟骨分化和成骨分化。圖3b顯示了第14天支架上細(xì)胞的三維生長(zhǎng)分布，表明支架的有利支持作用。圖3c展示了細(xì)胞遷移實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，支架材料促進(jìn)了細(xì)胞在24小時(shí)內(nèi)的遷移。圖3d展示了鈣離子流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，表明支架對(duì)細(xì)胞鈣流動(dòng)的影響。圖3e和圖3f分別通過Alcian blue染色和堿性磷酸酶（ALP）染色檢測(cè)成軟骨和成骨標(biāo)志物的表達(dá)情況，并用COL II和COL I染色進(jìn)一步確認(rèn)了軟骨和骨生成。圖3g和圖3h則定量分析了成軟骨基因（ACAN、COL II）和成骨基因（ALP、COL I）的表達(dá)水平，結(jié)果顯示，復(fù)合支架顯著促進(jìn)了成軟骨和成骨基因的表達(dá)，具有較強(qiáng)的分化誘導(dǎo)效果。

圖3 壓電-導(dǎo)電水凝膠支架對(duì)干細(xì)胞成軟骨和成骨分化的誘導(dǎo)效果

壓電刺激對(duì)成軟骨和成骨分化過程中基因表達(dá)和通路富集的影響。圖4a和圖4f為火山圖，分別顯示了成軟骨（圖4a）和成骨（圖4f）分化過程中上調(diào)和下調(diào)的基因。紅色點(diǎn)表示顯著上調(diào)的基因，藍(lán)色點(diǎn)表示顯著下調(diào)的基因。圖4b和圖4g則展示了成軟骨和成骨分化相關(guān)的通路富集分析，標(biāo)出了顯著富集的信號(hào)通路，如TGF-β、鈣信號(hào)通路、PI3K-Akt等，這些通路與細(xì)胞分化和增殖密切相關(guān)。圖4c和圖4h顯示了關(guān)鍵成軟骨基因（SOX9、ACAN、COL II A1）和成骨基因（SPP1、COL I A1、ALP）的表達(dá)量分析，表明壓電刺激顯著促進(jìn)了這些基因的表達(dá)。圖4d和圖4i展示了細(xì)胞黏附分子和細(xì)胞因子-細(xì)胞因子受體交互作用的富集分析結(jié)果。圖4e顯示了實(shí)驗(yàn)流程，從長(zhǎng)鏈非編碼RNA提取到高通量測(cè)序分析，揭示了壓電刺激在成軟骨和成骨分化中的調(diào)控機(jī)制。

圖4 壓電刺激對(duì)成軟骨與成骨分化基因表達(dá)和信號(hào)通路的影響

研究者探討了在大面積骨軟骨缺損模型中，使用壓電導(dǎo)電支架的效果。圖5a顯示了豬模型大面積骨軟骨缺損的建模過程和植入壓電導(dǎo)電支架的步驟。圖5b顯示了支架的壓電電壓信號(hào)隨時(shí)間的變化，表明支架在力學(xué)環(huán)境下產(chǎn)生的電信號(hào)穩(wěn)定。圖5c展示了不同實(shí)驗(yàn)組（D-N、D-C、D-P、D-PC）的肉眼觀測(cè)圖、MRI成像和微CT成像結(jié)果。可以觀察到壓電導(dǎo)電支架（D-PC組）在修復(fù)效果上的優(yōu)勢(shì)。圖5d、e和f分別量化了ICRS評(píng)分、骨厚度和骨體積/總體積（BV/TV），結(jié)果顯示D-PC組在這些指標(biāo)上表現(xiàn)出顯著的提高。圖5g通過阿利新藍(lán)染色、H&E染色和SO&FG染色展示了不同組在組織學(xué)上的差異，D-PC組顯示了較好的軟骨和骨結(jié)構(gòu)修復(fù)效果。圖5h和5i分別展示了Seller’s評(píng)分和Wakitani評(píng)分，進(jìn)一步量化了修復(fù)效果，D-PC組的評(píng)分顯著優(yōu)于其他組。

圖5 壓電導(dǎo)電支架在大面積骨軟骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用效果

圖6展示了不同組別（D-N、D-C、D-P、D-PC）在骨軟骨修復(fù)后的力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)變化。圖6a通過納米壓痕實(shí)驗(yàn)顯示了各組表面的力學(xué)特性，圖6b和c量化了不同組的模量（Er）和硬度，D-PC組表現(xiàn)出最高的力學(xué)性能，接近正常組織。圖6d為天狼星紅染色的結(jié)果，用于評(píng)估膠原纖維的排列和分布，顯示D-PC組在表面和深層區(qū)域的膠原纖維排列最接近正常組織。圖6e則進(jìn)一步分析了膠原纖維在表面和深層的角度分布，反映出不同組在纖維排列上的差異，D-PC組纖維排列更趨于正常組織的結(jié)構(gòu)。圖6f展示了表面和深層纖維的極坐標(biāo)分布，D-PC組的極坐標(biāo)分布較為集中，說明其在纖維排列方向上更接近正常組織。

圖6 不同支架對(duì)骨軟骨缺損修復(fù)的力學(xué)性能與膠原纖維結(jié)構(gòu)影響

總結(jié)

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種壓電導(dǎo)電水凝膠支架，以模擬人類運(yùn)動(dòng)過程中的電生理現(xiàn)象。體外實(shí)驗(yàn)表明，這種支架具有優(yōu)異的生物相容性，顯著促進(jìn)了細(xì)胞遷移以及軟骨和成骨分化。此外，通過RNA測(cè)序技術(shù)識(shí)別了受力電刺激影響的上層和下層的關(guān)鍵靶標(biāo)分子，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。在大動(dòng)物的體內(nèi)移植實(shí)驗(yàn)中，該支架通過下層導(dǎo)電層的設(shè)計(jì)滿足了骨區(qū)高電輸出的需求。具體來說，支架在表面累積正電荷，從而吸引干細(xì)胞遷移并增強(qiáng)軟骨修復(fù)效果。尤其是在具有骨軟骨缺損的帕爾馬豬模型中，該支架展示了良好的修復(fù)效果，表明其具有潛在的臨床治療前景。