静水压力增强丝素蛋白基3D生物打印水凝胶中间充质干细胞的软骨分化：半月板再生新策略

本研究针对半月板损伤修复的临床需求，创新性地将丝素蛋白(SF)基3D生物打印技术与周期性静水压力(HP)刺激相结合。研究人员通过构建含人髌下脂肪垫来源间充质干细胞(IFP-MSCs)的SF-ECM-G水凝胶，发现10 MPa的TGFβ-3协同HP刺激可显著上调COL2A1、ACAN等软骨标志物表达（最高达78933倍），促进糖胺聚糖(GAG)和胶原局部沉积。该研究为仿生构建力学响应型半月板植入物提供了重要实验依据。

　　

半月板作为膝关节的重要缓冲结构，其损伤后难以自我修复，传统治疗手段如半月板切除术往往导致骨关节炎(OA)的提前发生。据统计，约60%的膝关节手术涉及半月板损伤，而现有植入物难以模拟天然组织的力学性能和生物学功能。更棘手的是，体外构建的半月板组织常缺乏足够的机械强度，且静态培养条件无法重现关节腔内复杂的力学微环境——正常行走时半月板承受的静水压力(HP)可达3-10 MPa，频率约1.7 Hz。这些因素严重制约了组织工程半月板的临床应用。

针对这一难题，来自某研究机构的研究团队在《Biomacromolecules》发表了一项突破性研究。他们创新性地将丝素蛋白(SF)的力学优势与静水压力的生物学效应相结合，通过3D生物打印技术构建了含人髌下脂肪垫来源间充质干细胞(IFP-MSCs)的水凝胶系统。研究发现，10 MPa的周期性HP刺激与TGFβ-3协同作用时，可使软骨标志物COL2A1表达上调近8万倍，并促进糖胺聚糖(GAG)和胶原的局部沉积。这一成果为开发具有力学响应性的智能半月板植入物开辟了新途径。

研究团队采用了多项关键技术：从三名男性患者（22岁ACL损伤、42岁OCD和82岁OA）获取IFP-MSCs；构建含10% SF、5%脱细胞牛半月板ECM和3%明胶(G)的生物墨水；使用27G针头在30 PSI下打印网格结构水凝胶；应用0.5-10 MPa/0.7 Hz的HP刺激系统；通过ATR-FTIR分析β-折叠结构；采用非限制性压缩测试杨氏模量；qPCR检测COL1A1、COL2A1等基因表达；组织学染色评估GAG和胶原沉积。

在生物材料成熟度方面，ATR-FTIR光谱显示HP刺激未改变SF的β-折叠结构（1617-1627 cm^-1），压缩杨氏模量维持在0.029-0.125 MPa，与静态培养无显著差异。值得注意的是，水凝胶透明度随培养时间降低，表明内部结构逐渐致密化。

细胞行为研究揭示了显著供体差异性。来自年轻ACL患者的IFP-MSCs在HP刺激下代谢活性和增殖能力最强，而OA患者的细胞响应较弱。活/死染色显示HP使细胞存活率提升至89%，显著高于静态培养的41%。这种差异可能与供体年龄（22-82岁）和基础疾病状态有关。

基因表达谱系分析获得关键发现：TGFβ-3+HP组在28天时使COL1A1、COL2A1、ACAN和SOX9表达分别上调395倍、78933倍、45倍和142倍，显著优于单用TGFβ-3的静态培养组。特别值得注意的是，HP单独作用时也能上调ACAN和SOX9表达，但效果弱于生长因子刺激。MMP13表达模式提示其可能通过非肥大化途径激活，而典型肥大标志物COL10A1在所有组别均未检出。

组织学结果直观展示了ECM沉积特征。阿辛蓝染色显示TGFβ-3+HP组出现明显的蓝色环状GAG沉积区，阿赞染色则检测到局部增强的胶原沉积。但与天然半月板相比，水凝胶内细胞密度较低（约30%），且缺乏典型的胶原纤维束排列结构，这可能是由于脱细胞ECM的胶原片段尺寸（约100 nm）远小于天然纤维束（10-150 μm）所致。

讨论部分强调了三个关键科学价值：首先，10 MPa HP不会破坏SF的二级结构稳定性，这为构建力学适应性植入物提供了材料基础；其次，TGFβ-3与HP的协同效应证实了力学-化学耦合调控软骨分化的可行性；最后，IFP-MSCs的低肥大倾向（COL10A1阴性）使其成为理想的半月板再生细胞来源。研究也存在一定局限，如供体间响应差异显著，胶原排列结构尚未完美模拟天然组织等。

这项研究的重要意义在于首次系统论证了HP刺激在SF基生物打印水凝胶中的软骨诱导作用，为开发"力学活性"半月板植入物奠定了理论基础。未来通过优化打印路径设计、引入动态培养系统等方法，有望进一步提升组织的结构和功能仿生度。该成果不仅对半月板再生具有直接临床价值，其揭示的力学-生物学耦合规律也为其他负重组织工程提供了重要参考。