铁离子螯合型聚(N-丙烯酰基-2-甘氨酸)/壳聚糖复合水凝胶支架通过协同调控缺氧-免疫微环境促进功能性半月板再生

针对组织工程半月板(TEM)在炎症调控、氧化应激抵抗和力学稳定性等方面的挑战，研究团队创新性地开发了一种兼具异质仿生结构、高强度韧性和微环境调控功能的多功能聚(N-丙烯酰基-2-甘氨酸)/壳聚糖(PACG/CS)复合水凝胶支架。该支架通过羧基铁离子螯合作用建立缺氧模拟微环境，动态调控HIF-1α信号通路，平衡促炎/抗炎反应，显著促进外周血间充质干细胞(PBMSCs)的软骨分化能力，最终实现结构-功能一体化的半月板再生。这项研究为开发具有自主生物活性的智能植入材料提供了新范式。

　　

半月板作为膝关节的关键缓冲结构，其损伤后难以自我修复，传统半月板切除术会加速骨关节炎(OA)进展。尽管组织工程半月板(TEM)技术取得进展，但现有材料仍面临三大瓶颈：难以模拟天然半月板的异质性结构；缺乏对病理微环境中炎症和氧化应激的调控能力；依赖外源性生长因子导致疗效不稳定。更棘手的是，半月板内缘无血管区的低氧环境使常规治疗手段效果受限，而现有缺氧模拟策略如铁螯合剂去铁胺(DFO)存在毒性问题。

针对这些挑战，北京大学第三医院运动医学科余家阔团队创新性地提出"材料驱动"的解决策略。研究人员设计了一种具有本征生物活性的聚(N-丙烯酰基-2-甘氨酸)/壳聚糖(PACG/CS)复合水凝胶支架，通过整合个性化模具制造技术、离子交联网络和微环境调控功能，实现了"一材多效"。该材料的核心创新在于利用聚合物链末端的羧基(-COOH)高效螯合铁离子(Fe³⁺)，在局部建立持续稳定的缺氧模拟微环境，避免了传统DFO的毒副作用。

研究采用多学科交叉技术路线：通过UV引发自由基聚合法构建共价/氢键双交联网络水凝胶；采用MRI三维重建结合电化学蚀刻技术制备透明聚碳酸酯(PC)个性化半月板注射模具；利用铁离子检测试剂盒定量评估Fe³⁺螯合效率；通过Western blot和免疫荧光分析HIF-1α信号通路激活；建立兔全半月板切除模型评估体内再生效果。

研究结果揭示：

1. 1.

   材料表征与生物相容性：PACG/CS-1.6水凝胶呈现规则的"横纵取向"孔结构，压缩性能与天然半月板相当。活死染色显示骨髓间充质干细胞(BMSCs)在水凝胶中保持>95%存活率，皮下植入实验证实其良好生物相容性。

2. 2.

   缺氧微环境模拟：FeCl₃浸泡实验显示PACG/CS-1.6的铁离子螯合能力比纯PACG提高8倍。RAW264.7细胞共培养实验证实该材料能显著上调HIF-1α蛋白表达，抑制剂Oltipraz可逆转此效应。

3. 3.

   免疫调节作用：水凝胶使巨噬细胞M1标志物(iNOS、TNF-α)表达降低2-3倍，同时使M2标志物(Arg-1、IL-10)升高1.5-2倍。ELISA检测显示SDF-1α和VEGF分泌量增加2倍以上。

4. 4.

   干细胞招募与分化：Transwell实验表明PACG/CS-1.6促进PBMSCs迁移的效果优于BMSCs(增加40%)。三维培养21天后，PBMSCs组的糖胺聚糖(GAGs)含量较BMSCs组高35%，胶原II(COL-2)阳性面积增加50%。

5. 5.

   体内再生效果：植入24周后，PACG/CS-1.6+PBMSCs组再生组织呈现与天然半月板相似的区域异质性——外缘为富含COL-1的纤维组织，内缘为富含COL-2的软骨组织。双向拉伸测试显示其径向拉伸模量恢复至天然组织的85%。

6. 6.

   关节保护作用：ICRS评分显示PBMSCs组软骨损伤程度较空白组减轻60%，Mankin评分证实其能有效延缓OA进展。转录组分析发现HIF-1信号通路上调，NF-κB通路下调。

这项研究的重要意义在于：首次证实通过材料本征的铁螯合特性可建立持续缺氧微环境，突破性地发现外周血来源干细胞(PBMSCs)在缺氧条件下的软骨分化优势优于传统骨髓干细胞(BMSCs)。临床转化方面，个性化模具技术使植入物能精确匹配解剖结构，而无需外源性生长因子的设计大幅提高了治疗安全性。该成果为开发具有自主生物活性的智能植入材料提供了全新思路，相关技术已申请专利保护。

论文的创新性获得同行高度认可，发表于碳水化合物材料领域权威期刊《Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre》。审稿人评价该工作"巧妙地将材料物理化学特性与生物学响应相耦合，为解决组织工程中的微环境调控难题提供了范式级方案"。未来研究可进一步优化铁离子控释动力学，并探索在更大动物模型中的长期疗效。