梯度支架-水凝胶复合生物材料中间充质干细胞活性促进肌腱-骨止点修复的研究

为解决肩袖损伤修复中肌腱-骨止点再生难题，研究人员开发了一种由非矿化各向异性胶原支架、矿化各向同性胶原支架和硫醇化明胶(Gel-SH)界面组成的三相生物材料。该材料通过模拟天然止点的梯度结构，成功维持人骨髓间充质干细胞(hMSCs)长达21天的活性，并促进其表达COL1A1、SOX9等纤维软骨形成相关标志物及分泌TGF-β1，为界面组织工程提供了创新性解决方案。

　　

肩袖损伤是困扰中老年人群的常见运动系统疾病，其修复难点在于肌腱与骨之间特殊的过渡结构——纤维软骨止点(enthesis)难以再生。传统手术直接将肌腱重新固定到骨组织上，但这种方法忽视了天然止点由肌腱、非矿化纤维软骨、矿化纤维软骨和骨组成的四层梯度结构，导致术后再断裂率高达40%-94%。这种"硬-软"组织界面再生失败的核心在于：手术形成的杂乱瘢痕组织无法重现天然止点通过梯度结构实现的力学载荷传递功能。

针对这一临床痛点，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的研究团队在《Bioactive Materials》发表创新研究。他们设计了一种三相生物材料：各向异性的非矿化胶原支架模拟肌腱区，各向同性的矿化胶原支架模拟骨区，中间通过硫醇化明胶(Gel-SH)水凝胶连接。这种设计既保留了胶原材料良好的生物相容性，又通过梯度孔隙结构和力学性能模拟天然止点的微环境。

研究采用的关键技术包括：μCT扫描结合MATLAB代码分析孔隙形态、Instron力学测试系统评估材料性能、纳米字符串(nCounter)技术分析53个靶基因表达谱、ELISA检测TGF-β1分泌动态等。实验使用20岁非洲裔女性供体的第4代人骨髓间充质干细胞(hMSCs)进行三维培养，通过组织学染色和基因表达分析评估细胞行为。

【材料特性】

通过定向冷冻干燥技术制备的三相支架展现出明显的区域异质性：肌腱区呈现高度取向的纤维结构，骨区为各向同性多孔结构，Gel-SH界面区孔隙尺寸最大。水合后材料的断裂应变超过10%，满足手术操作需求。值得注意的是，水合状态下的断裂多发生在Gel-SH区域中心，而非界面边缘，表明界面结合强度优于单一材料。

【细胞行为】

活细胞成像显示hMSCs在支架内可存活21天，代谢活性持续增强。基因分析揭示界面区细胞显著上调纤维软骨形成相关标志物：生长因子TGF-β1和BMP-4表达增加3-5倍；转录因子SOX9和KLF-2上调2倍；细胞外基质COL1A1、COL3A1和COMP表达量提高。ELISA证实TGF-β1分泌在第7天开始显著增加，累积释放量随时间线性增长，符合生理性修复时序。

【功能验证】

虽然PCA分析显示不同区域细胞存在整体基因表达差异，但单个基因的统计学差异有限。组织学显示骨区矿化程度较高，但未观察到明显的蛋白聚糖沉积。与单相支架相比，三相支架中hMSCs表现出独特的"交叉对话"效应：某些基因(如COL10A1)表达增强，而SCX等标志物表达受抑制，提示材料组合会产生协同或拮抗效应。

这项研究首次证明，通过合理设计的多相生物材料可以引导hMSCs向纤维软骨表型分化，而无需外源性生长因子。Gel-SH界面不仅缓解了力学应变集中问题，更通过调节细胞旁分泌创造了促纤维软骨形成的微环境。尽管目前尚未实现完全分化的四层止点结构再生，但该工作为开发"智能化"界面再生材料奠定了重要基础。未来结合力学刺激和抗炎策略，这种梯度支架有望成为治疗肩袖损伤的新型植入物。