硫酸软骨素/透明质酸/羧甲基纤维素大孔冷冻凝胶支架通过TGF-β1与IGF-1控释诱导脂肪干细胞软骨分化修复关节缺损

为解决关节软骨缺损修复中细胞分化调控不足的问题，研究人员开发了由硫酸软骨素(CS)、透明质酸(HA)和羧甲基纤维素(CMC)组成的大孔冷冻凝胶支架(CHC)，通过结合TGF-β1和IGF-1实现生长因子缓释(>21天)，显著促进脂肪干细胞(ASCs)向软骨细胞分化，并在兔模型中成功修复全层软骨缺损，为软骨组织工程提供了新型功能性支架。

　　

关节软骨损伤是临床常见的难题，由于软骨无血管和神经分布，自我修复能力极其有限。目前的金标准疗法如马赛克成形术存在供区并发症，人工关节置换则面临长期磨损问题。组织工程(TE)技术为这一困境提供了新思路，但现有支架在生长因子控释和细胞分化诱导方面仍存在不足。长庚纪念医院林口分院与科技部资助的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表的研究中，创新性地将天然软骨基质成分硫酸软骨素(CS)、透明质酸(HA)与羧甲基纤维素(CMC)结合，通过低温冷冻凝胶技术(-17°C)制备出具有超大孔结构的CHC支架，并利用CS的硫酸基团锚定TGF-β1和IGF-1生长因子，实现了对脂肪干细胞(ASCs)软骨分化的精准调控。

研究采用冷冻凝胶技术构建三维多孔支架，通过扫描电镜(SEM)表征微观结构，利用qRT-PCR分析软骨相关基因表达，并在兔膝关节缺损模型中验证修复效果。关键创新在于采用BDDE交联剂将CS/HA/CMC网络与生长因子结合，形成具有生物活性的缓释系统。

材料与方法
研究选用分子量1.3×10⁶ Da的HA与20-30 kDa的CS，以250 kDa的CMC增强机械性能，通过BDDE交联制备支架。通过SEM观察证实支架具有>100 μm的互通大孔结构，孔隙率达90%以上，满足细胞浸润需求。

表征结果
力学测试显示CHC压缩模量达0.45 MPa，接近天然软骨；体外降解实验表明28天保留60%质量，符合软骨再生周期。生长因子释放曲线显示TGF-β1/IGF-1组合组21天累计释放82%，显著优于单因子组。

体外研究
qRT-PCR显示CHC/TGF-β1/IGF-1组在第14天显著上调SOX9(4.2倍)、COL2A1(5.8倍)、ACAN(3.7倍)等软骨标志基因，同时抑制肥大化标志COL10A1表达。免疫荧光证实实验组II型胶原蛋白沉积量是对照组的2.3倍。

动物实验
将预培养14天的ASCs-支架复合体植入兔膝关节全层缺损处，12周后组织学评分显示实验组新生软骨与周围组织整合良好，GAG含量达到天然软骨的89%，力学测试显示压缩弹性模量恢复至正常值的83%。

该研究首次证实CS/HA/CMC三元系统通过生长因子协同作用可有效诱导ASCs软骨分化，其创新点在于：1) 模拟天然软骨GAGs比例(CS:HA=4:1)；2) 利用CS硫酸基团实现生长因子长效锚定；3) CMC的引入显著提升支架机械性能。这种仿生支架为临床软骨修复提供了兼具生物活性和操作便利性的新型解决方案，未来有望通过调整生长因子组合比例应用于不同阶段的软骨病变治疗。