仿生微通道整合丝素蛋白支架促进椎间盘退变再生

为解决椎间盘退变(IVDD)导致的腰痛和现有治疗手段(如腰椎融合术和人工椎间盘置换术)的局限性，研究人员创新性地开发了一种仿生微通道整合丝素蛋白支架(BMI-SF scaffold)。该支架通过定向交叉微通道(annulus fibrosus, AF)和互连多孔结构(nucleus pulposus, NP)模拟天然椎间盘(IVD)的层次结构，体外和体内实验证实其能引导细胞定向迁移、促进新生血管形成，并恢复椎间盘高度和生物力学功能。这项研究为严重IVDD患者提供了新的组织工程治疗策略，具有广阔的临床应用前景。

　　

椎间盘退变(IVDD)是导致慢性腰背痛的首要病因，全球约40%的成年人深受其扰。传统治疗手段如腰椎融合术会加速邻近节段退变，而人工椎间盘置换术又因非降解材料的生物整合性差难以长期维持功能。面对这一临床困境，组织工程领域亟需开发一种既能模拟天然椎间盘复杂结构，又能引导功能性再生的新型支架材料。

中国的研究团队在《BIOMATERIALS RESEARCH》发表了一项突破性研究，通过创新性地结合熔融纺丝技术和反向造孔技术，成功构建了仿生微通道整合丝素蛋白支架(BMI-SF scaffold)。该支架巧妙复现了天然椎间盘的两大关键结构：纤维环(AF)区域的60°交叉定向微通道模拟胶原纤维层状排列，髓核(NP)区域的互连多孔结构(孔径170±22 μm)则模仿凝胶状基质的拓扑特征。

关键技术方法：研究采用熔融纺丝制备聚己内酯(PCL)牺牲模板(纤维直径90-110 μm)，乳液分散法制备石蜡球(152.9±10.23 μm)作为NP区造孔剂；通过真空灌注丝素蛋白(SF)溶液、冷冻干燥和模板浸出获得整合支架；通过Micro-CT、扫描电镜(SEM)和力学测试表征结构性能；采用大鼠皮下植入模型和尾椎置换模型(300-350 g SD大鼠)验证再生效果。

支架设计与表征：

• 三维重建显示BMI-SF支架的AF区呈同心圆排列的交叉微通道(内径110±15 μm)，NP区为高度互连的不规则多孔结构，孔隙率达89.33±6.58%，显著高于无通道的对照组(69.52±5.25%)。
• 拉曼光谱证实支架成分为纯丝素蛋白，无PCL或石蜡残留(特征峰1,453/1,669/2,936 cm^-1)。
• 力学测试显示微通道结构使压缩模量降低(3.2±0.4 MPa vs 对照组5.8±0.6 MPa)，但仍维持天然椎间盘相似的动态力学性能。

细胞行为调控：

• 活死染色显示AF和NP区细胞存活率均>90%，CCK-8检测证实微通道促进细胞增殖(第7天OD值较对照组高38%)。
• 细胞骨架染色(FITC-phalloidin)揭示AF区87±2.2%细胞沿微通道定向生长，而NP区仅15±4.5%细胞呈现取向性，证实微通道可精确调控细胞排列模式。

体内再生效果：

• 皮下植入4周后，BMI-SF支架的微通道内新生血管数量(AF区7.1±2.2条，NP区5.9±2.9条)显著高于对照组(P<0.0001)。
• 免疫荧光显示植入早期M1型巨噬细胞(iNOS⁺)浸润，4周后转为M2型(CD206⁺)，符合组织修复规律。
• 尾椎置换模型MRI显示支架植入节段12周后仍保持椎间盘高度指数(DHI)，T2加权像呈现高信号，而单纯切除组出现椎间隙塌陷。生物力学测试证实再生节段具有近似天然IVD的压缩模量(0.52±0.03 MPa vs 天然0.61±0.05 MPa)。

组织学分析：

• 阿尔新蓝/天狼星红染色显示再生组织含胶原纤维和少量糖胺聚糖(GAG)，支架降解与组织再生速率匹配。
• 对比单纯切除组的椎体融合现象，支架植入组形成连续的软组织连接，有效防止邻近节段退变。

这项研究的突破性在于首次通过微通道拓扑结构实现椎间盘AF/NP双相组织的仿生重建。相较于传统分体式组装策略，一体化设计的BMI-SF支架更符合天然组织的力学传导需求。尽管支架的弹性性能仍需优化，但其展现的"结构引导再生"理念为复杂器官再造提供了新范式。未来通过结合干细胞或生长因子(如TGF-β₃)，有望进一步促进细胞外基质再生。该成果标志着组织工程椎间盘向临床转化迈出关键一步，为开发下一代可降解人工椎间盘奠定了理论基础。