仿生矿化梯度水凝胶的生物挤出：骨软骨界面再生工程的新策略

《Bio-Design and Manufacturing》：Bioextrusion of hydrogels with controlled mineral gradients for regenerative engineering of osteochondral interfaces

本研究针对骨软骨(OC)界面损伤修复难题，开发了新型一步法生物挤出技术，成功构建了具有仿生矿化梯度的单一体合成移植物(USG)。该移植物以琼脂糖/羟基磷灰石(HAp)体系模拟天然OC界面的成分梯度，其梯度过渡长度(647±21)μm与牛膝关节组织(633±124)μm高度匹配。线性粘弹性测试表明USG具有类天然组织的力学行为，细胞实验验证了软骨细胞和人胎儿成骨细胞(hFOBs)在生物挤出后的活性。该技术为OC缺损再生提供了新的工程化解决方案。

　　

随着全球老龄化进程加速，骨关节炎(OA)患者已超过5.28亿，造成每年约1368亿美元的经济负担。骨软骨(OC)组织损伤是导致OA的主要因素，而现有治疗方法如微骨折术、镶嵌成形术等植入物与天然组织整合效果不佳，或仅能形成力学性能较差的纤维软骨。究其根源，天然OC界面具有独特的梯度结构——从无矿化的关节软骨到钙化软骨，再过渡到软骨下骨，其中矿化成分的梯度变化跨越数百微米。这种精密的结构特征传统技术难以仿制。

为突破这一技术瓶颈，来自史蒂文斯理工学院和纳扎尔巴耶夫大学的研究团队在《Bio-Design and Manufacturing》发表创新性研究，开发出新型一步法生物挤出工艺，成功制备出模拟天然OC界面矿化浓度梯度的单一体合成移植物(USG)。该移植物以琼脂糖为基础构建软骨层，以含20%(200 g/L)羟基磷灰石(HAp)的琼脂糖构建骨层，通过精确控制挤出参数实现了0%到20%的矿化梯度过渡。

研究团队首先通过牛膝关节标本分析天然OC界面特征，随后采用双螺杆挤出机进行梯度构建。关键技术包括：通过独立控制的输液泵分别注入琼脂糖溶液和琼脂糖/HAp悬浮液，在37.5°C环境腔中通过螺杆转速(75 r/min)、模具开口(2 mm×2 mm)和流量切换时序的精准调控实现梯度成型。采用热重分析(TGA)、扫描电镜(SEM)/能谱分析(EDX)和显微CT等多尺度表征技术验证梯度特征，并通过流变仪分析线性粘弹性性能。细胞实验采用CMFDA标记的hFOBs和大鼠关节软骨细胞，评估生物挤出后的细胞活性。

3.1 TGA测定的梯度过渡长度

通过优化挤出参数（瞬时切换流量、75 r/min螺杆转速、2 mm×2 mm模具），USG的梯度过渡长度达到(647±21)μm，与牛OC组织的(633±124)μm无显著差异（p>0.05）。而延长流量切换间隔时间会导致梯度长度显著增加（30秒延迟时达3830 μm）。

3.2 SEM和EDX表征

钙元素分布分析显示，天然OC界面梯度厚度约140 μm（中值）至275 μm（均值），USG的钙浓度变化趋势与天然组织高度一致，证实了梯度结构的成功仿生。

3.3 线性粘弹性和生物力学性能

应变扫描表明天然OC组织在0.1%应变内保持线性响应，而USG及其组分（琼脂糖、琼脂糖/HAp）的线性范围可达1%。频率扫描显示所有样品均呈现典型凝胶行为，储能模量(G′)显著高于损耗模量(G″)，tanδ值小于1。应力松弛实验中，USG与天然组织均呈现缓慢松弛特性，200秒后趋于稳定。压缩测试显示天然组织具有双模量特性（软骨区0.48±0.28 MPa，骨区2.13±0.55 MPa），而USG表现为单一线性模量(0.04±0.01 kPa)，表明力学强化仍是后续优化方向。

3.4 显微CT表征

层析扫描显示USG的矿物密度梯度变化与天然组织相似，进一步验证了梯度结构的空间一致性。

3.5 hFOBs和软骨细胞的生物挤出

细胞活性实验表明2%琼脂糖浓度在保证力学性能的同时维持了细胞存活。生物挤出后，CMFDA标记的hFOBs和DAPI染色的软骨细胞在相应区域保持活性，阿尔新红染色证实了矿化基质的形成。

本研究通过创新性生物挤出技术实现了OC界面仿生梯度结构的精准构建，其梯度过渡长度与天然组织高度匹配，粘弹性行为相似，且支持细胞存活。尽管USG的压缩模量尚低于天然骨组织，但该工作首次证明了双螺杆挤出机在构建细胞-材料复合梯度支架方面的潜力。该技术可扩展至其他组织界面（如腱-骨、韧带-骨）的再生，为复杂组织工程提供了新的制造范式。未来研究需聚焦于力学性能强化、长期体内功能验证以及符合GMP标准的规模化生产工艺开发。