仿生水凝胶支架刺激纤维化反应：植入材料体外检测新模型的开发与应用

本研究创新性地构建了基于胶原水凝胶的3D共培养体系，通过模拟人体对植入材料的异物反应（FBR），建立了标准化体外检测方法。研究揭示了钛材料引发的TGF-β1和IL-6特异性表达谱，证实M2巨噬细胞可促进胶原沉积，为优化植入物生物相容性提供了新型评价工具，显著优于传统斑贴试验（PT）的可靠性。

　　

1 引言

植入物引发的异物反应（FBR）是影响临床疗效的关键因素。传统动物模型存在伦理和可重复性缺陷，本研究通过仿生胶原水凝胶构建三维培养系统，模拟人体内陶瓷、钛合金和不锈钢等植入物磨损颗粒引发的级联反应。胶原水凝胶因其与细胞外基质（ECM）相似的三维结构和生物相容性，成为理想支架材料。值得注意的是，胸外科与骨科植入物的FBR存在显著差异：前者易引发肺组织纤维化，后者则多导致植入物周围骨溶解。

2 材料与方法

2.1 植入物颗粒制备

采用磁力研磨法制备钛（TIT）和钢（STE）微粒，通过米氏散射测定粒径分布。陶瓷颗粒CT800由德国马格德堡大学医院提供，三种材料平均粒径分别为0.8μm（CT800）、4.2μm（钛）和6.5μm（钢）。

2.2 细胞培养体系

创新性建立双层培养系统：上层为植入颗粒预刺激的人原代皮肤成纤维细胞（pFb）包埋的胶原水凝胶，下层为THP-1来源的M0/M1/M2巨噬细胞，通过半透膜实现细胞因子交互。M1型通过IFN-γ诱导，M2型通过IL-4/IL-13诱导，免疫荧光验证CD80（M1）和CD163（M2）标志物表达。

3 结果

3.1 动态细胞响应

钛颗粒刺激组呈现最显著纤维化特征：

• •

  M2共培养中胶原I分泌量第14天激增151%

• •

  TGF-β1浓度从7.7 pg/mL（第3天）升至1,372 pg/mL（第10天）

• •

  IL-6在钛刺激组的浓度梯度：M1组23.7→49.4 pg/mL，M2组39.1→73.6 pg/mL

3.2 关键通路解析

M2巨噬细胞通过IL-4/TGF-β1轴促进成纤维细胞活化：

• •

  钛组M2培养中IL-4初期浓度达M1组的5倍

• •

  胶原合成与TGF-β1浓度呈正相关（R²=0.87）

• •

  不锈钢组则呈现促炎特征：IL-1β持续高表达

4 讨论

4.1 检测方法革新

相比传统斑贴试验，该模型具备三大优势：

1. 1.

   避免患者致敏风险

2. 2.

   实现动态监测（3/7/10/14天多时间点）

3. 3.

   定量分析细胞因子（检测限达1 pg/mL）

4.2 临床转化价值

钛材料表现出的"双相反应"值得关注：虽然引发较强IL-6分泌，但通过M2巨噬细胞促进组织修复。这解释了临床观察到的钛植入物长期耐受性现象。

5 结论

本研究建立的3D水凝胶模型为植入物生物相容性评价提供了新范式，特别在预测纤维化风险方面具有独特价值。未来可通过纳入患者特异性细胞，发展个性化植入方案评估体系。