一种含有金纳米颗粒的甲基丙烯酸透明质酸水凝胶注射剂，通过巨噬细胞介导的 bone marrow stem cell（BMSC，骨髓干细胞）向软骨细胞分化过程，有效促进软骨修复

《Biomaterials Advances》：An injectable gold nanoparticle-loaded methacrylated hyaluronic acid hydrogel enhances cartilage repair via macrophage-driven BMSC chondrogenesis

　　

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  光交联AuNPs@HAMA水凝胶表现出快速凝胶化和抗疲劳性。
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  AuNPs@HAMA通过驱动巨噬细胞M2极化来逆转局部炎症。
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  AuNPs@HAMA通过巨噬细胞与间充质干细胞的旁分泌相互作用促进软骨生成。
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  在体内环境中，AuNPs@HAMA促进软骨和下软骨组织的修复。

引言

骨关节炎（OA）是一种慢性退行性关节疾病，涉及多个组织，包括关节软骨、滑膜和下软骨，是老年人活动能力受损的主要原因[1]。其主要病理特征包括关节软骨逐渐退化、持续的滑膜炎症和异常的下软骨重塑[2]。由于天然的关节软骨缺乏血管、神经和淋巴管，其营养运输能力有限，自身再生能力较差。受伤后，成熟的软骨细胞增殖潜力受限，通常会形成机械性能较差的纤维软骨，进一步加速关节退化[3]。目前的临床干预措施，如药物镇痛、关节内注射和微骨折手术，主要仅能缓解症状或进行短期修复，无法长期恢复天然透明软骨的结构和功能[4]。因此，调整再生微环境以促进稳定的透明软骨基质形成仍然是组织工程中的重要挑战。

越来越多的证据表明，持续存在的促炎微环境是OA中内源性软骨修复的主要障碍[5],[6]。作为免疫反应和对生物材料植入反应的关键调节因子，巨噬细胞具有显著的表型可塑性[7]。它们通常被分为促炎型（M1）和修复型（M2）两种状态，但实际上存在于一个动态连续体中。促炎型巨噬细胞分泌IL-1β和TNF-α等分解代谢因子，这些因子会促进软骨基质降解并抑制骨髓来源的间充质干细胞（BMSCs）的软骨生成分化。相反，修复型巨噬细胞有助于炎症消退、基质重塑和组织再生[8]。先前的研究表明，OA中滑膜巨噬细胞的表型状态显著影响间充质干细胞的软骨生成潜力[9]。这突显了免疫细胞与再生细胞之间的旁分泌相互作用在软骨修复中的关键作用[9]。因此，同时减弱巨噬细胞介导的炎症并促进BMSCs软骨生成的分策略对于推进软骨再生非常具有吸引力。

在各种生物材料中，水凝胶具有高度水合的三维（3D）多孔结构，能紧密模拟天然细胞外基质（ECM），使其成为软骨组织工程的理想候选材料[10]。透明质酸（HA）作为天然软骨ECM的主要成分，因其优异的生物相容性和润滑关节的特性而被广泛应用[11]。其甲基丙烯酸化衍生物（HAMA）可以快速在体内进行光交联[12]，满足微创填充不规则软骨缺损的临床需求。然而，纯HAMA水凝胶主要提供被动结构支持，缺乏主动调节复杂炎症微环境的能力。为克服这一限制，加入生物活性纳米材料成为一种有吸引力的策略。金纳米粒子（AuNPs）不仅在结构上作为添加剂受到关注，还因其免疫调节和生物导向作用而在再生医学中受到重视[13]。来自手性AuNP系统的机制研究表明，与其CD97和EMR1的相互作用可激活炎性小体并促进骨髓来源树突状细胞的成熟，表现出结构依赖的免疫活性[14]。在我们之前的研究中，比较了5纳米、13纳米和45纳米AuNPs在人类牙周韧带祖细胞中的效果，发现45纳米AuNPs通过自噬调控显著促进分化[15]。在此基础上，我们进一步证明了45纳米AuNPs能有效减弱促炎反应，促进抗炎型M2巨噬细胞的极化，并通过巨噬细胞介导的旁分泌信号促进干细胞的成骨/成 cementogen 再分化[16]。此外，在体内的炎症模型中，局部施用45纳米AuNPs结合NELL-1可抑制促炎细胞因子的表达，恢复局部免疫稳态，并防止严重的组织损伤[17]。最近的证据表明，基于AuNP的系统（如多巴胺包覆的AuNPs）可以显著上调MSCs的软骨生成标志物表达，改善大鼠骨关节炎模型中的软骨修复[18]。鉴于恶劣的炎症微环境对内源性软骨再生成有严重影响，我们假设将功能特异性的45纳米AuNPs整合到光交联HAMA水凝胶中，可以结合3D仿生结构支持和主动调控微环境，从而为BMSCs的软骨生成和软骨修复创造有利条件。因此，我们开发了一种可注射的AuNPs@HAMA复合水凝胶，并在表型和功能层面系统评估了这些效果。

在这项研究中，我们合理设计了一种可注射的光交联AuNP负载HAMA复合水凝胶（AuNPs@HAMA），以应对病理炎症微环境和受损软骨再生的双重挑战。我们首先系统地表征了该水凝胶，确认加入AuNPs后其多孔结构和机械稳定性得以保持。随后在体外实验中观察到，AuNPs@HAMA能有效减弱骨髓来源的间充质干细胞的促炎特性，从而通过巨噬细胞衍生的旁分泌信号增强软骨生成。此外，利用小鼠软骨缺损模型，我们证明局部施用AuNPs@HAMA显著加速了软骨基质的沉积和下软骨的重建。最终，通过结合物理机械支持和巨噬细胞驱动的干细胞分化，这种生物工程策略为软骨修复建立了双重作用机制，为设计下一代免疫调节生物材料提供了坚实的基础（图1）。

章节摘要

材料

透明质酸甲基丙烯酰化物（HMAM, EFL-HAMA-150 K）购自Engineering for Life（中国苏州）。锂苯基-2,4,6-三甲苯甲酰膦酸酯（LAP）购自Solarbio（中国北京）。金纳米粒子（AuNPs, 45纳米）购自Biotyscience（中国北京）。

AuNPs@HAMA的制备

在PBS缓冲液中加入0.25%（w/v）的LAP光引发剂，于40–50°C加热15分钟。随后在室温下搅拌30分钟，将HAMA-150 K溶解在LAP溶液中。

AuNPs@HAMA的制备和理化特性

为了制备具有体内凝胶化和生物调节活性的软骨修复支架，我们制备了AuNPs@HAMA复合水凝胶。这是通过将免疫调节AuNPs[20]整合到HAMA中实现的，HAMA是一种成熟的软骨组织工程生物材料[19]。随后对其理化性质进行了系统评估。透射电子显微镜（TEM）显示AuNPs近乎球形，边界清晰，分散性良好。

结论

本研究开发了一种新型的可注射光交联AuNPs@HAMA复合水凝胶，用于微环境重塑和软骨再生。引入AuNPs后没有引起显著的结构变化，确保了材料的良好兼容性，并形成了多孔、抗疲劳的网络，提供了稳定的体内机械支持。在体外实验中，该水凝胶通过诱导巨噬细胞M2极化逆转了局部炎症微环境，进而促进了

CRediT作者贡献声明

黄晨彦：撰写——初稿、方法学、实验设计、数据整理、概念构思。袁桥：撰写——审稿与编辑、方法学、实验设计、数据整理。李子轩：撰写——审稿与编辑、实验设计、数据整理。赵若成：撰写——审稿与编辑、方法学、实验设计、数据整理。胡梦龙：撰写——审稿与编辑、实验设计、数据整理。李玉阳：撰写——审稿与编辑、资金申请。刘云：撰写——审稿与

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

本项工作得到了国家自然科学基金（编号：82470991）和江苏省自然科学基金（编号：BK20250271）的支持。

作者：黄晨彦|袁桥|李子轩|赵若成|胡梦龙|李玉阳|刘云|余青|杨阳|严福华