3D打印Bouncy Bioglass支架促进关节软骨再生的研究

《Bioactive Materials》：3D printed Bouncy Bioglass enhances articular cartilage regeneration

　　

关节软骨是一种能够促进运动、分配负荷和吸收冲击的独特材料，但与骨不同，它无血管分布，损伤后自我修复能力有限。由急性创伤或重复性机械应力引起的局限性关节软骨缺损，存在于三分之二患有膝痛的患者中，并可能显著损害关节功能。若缺乏有效干预，此类缺损可能进展并累及周围软骨，导致长期发病。在目前的外科策略中，微骨折作为一种骨髓刺激技术，广泛用于治疗小型软骨缺损（< 2 cm²），但其形成富含I型胶原的纤维软骨，弹性不如关节软骨。尽管短期改善可见，但5年以上的耐久性较差，常导致治疗失败和再次手术。目前另一种治疗选择是自体软骨细胞移植（ACI），这是一种两步外科手术，需在关节镜下从受累膝关节的低负重区获取健康关节软骨，分离的软骨细胞经14至21天扩增后，在骨膜瓣（PF）下注入缺损处。尽管理论上优于微骨折，但ACI与恢复时间延长、手术准备时间增加及仅获得边际性改善相关。另一种替代方法是镶嵌成形术，这是一种一步式手术，将骨软骨栓从低负重区移植至缺损部位。尽管该技术可处理较大缺损且无需细胞扩增，但栓间仍形成纤维软骨，并可能导致供区病痛。虽然镶嵌成形术降低了感染和排斥风险，但其临床获益仍与更简单的方法相当。这些外科技术均导致纤维软骨、进一步退变的风险及较高的手术再干预率，凸显了对更有效再生方案的需求。研究人员评估了3D打印Bouncy Bioglass支架（SiO₂/PTHF/PCL-diCOOH溶胶-凝胶杂化材料）在体内促进关节软骨再生的能力，并将其与微骨折及不同孔径支架进行比较。体外降解研究表明SC-250支架在磷酸盐缓冲液中浸泡6个月后仍保持力学性能。大鼠模型细胞毒性测试显示植入物无全身毒性。绵羊模型定性、半定量和定量分析表明，SC-250支架（250 μm通道）比SC-500（500 μm通道）和微骨折更能促进高质量透明样软骨再生，再生组织中胶原II型含量显著更高，接近天然软骨。研究人员开发了新的HTGJ半定量评分系统，定量分析验证了其有效性。结论：Bouncy Bioglass SC-250支架在绵羊模型中优于临床金标准微骨折，显著提高组织再生量和质量，且无全身细胞毒性，显示出治疗软骨缺损和再生高质量关节软骨的潜力。

论文解读：3D打印Bouncy Bioglass支架促进关节软骨再生的研究

一、研究背景与问题

关节软骨是覆盖在关节骨端表面的一种特殊结缔组织，能够促进关节运动、分散负荷和吸收冲击。然而，由于其无血管分布，损伤后自我修复能力极为有限。由急性创伤或反复机械应力引起的局部软骨缺损，在膝痛患者中发生率高达三分之二，可显著损害关节功能。若缺乏有效干预，缺损可能进展并累及周围软骨，导致长期功能障碍。目前临床常用外科治疗策略包括：微骨折术，通过骨髓刺激形成纤维软骨，但该组织富含I型胶原，机械性能不如正常关节软骨，5年以上耐久性差，常导致治疗失败和再次手术；自体软骨细胞移植术（ACI），为两步手术，需体外扩增软骨细胞，恢复时间长，获益有限；镶嵌成形术虽可处理较大缺损，但移植物间形成纤维软骨，并可导致供区病痛。此外，基于生物材料的方法如MACI^?、AMIC^?以及骨软骨植入物MaioRegen?、AGILI-C?等，均存在细胞表型丢失、纤维组织形成、需钻入健康骨或长期疗效不确切等问题。因此，临床上迫切需要一种一步式“即用型”技术，能最大限度减少组织和软骨下骨创伤，并再生高质量关节软骨而非纤维软骨。

二、研究目的与材料设计

研究人员基于Tallia等人建立的SiO₂/PTHF/PCL-diCOOH溶胶-凝胶杂化体系，制备了具有优异力学性能的“Bouncy Bioglass”材料。该材料可3D打印成规则多孔结构，孔径约250 μm的支架表现出非线性弹性行为，可模拟天然软骨的力学特征。体外研究已证明，在此类支架中培养人间充质干细胞可诱导软骨分化并形成II型胶原基质。本研究的目的是在体内评估该支架促进关节软骨再生的疗效，比较250 μm通道支架（SC-250）、500 μm通道支架（SC-500）与临床标准微骨折术的效果。

三、主要关键技术方法

研究人员采用了多种关键技术。材料合成方面，通过TEMPO氧化法制备PCL-diCOOH，再与GPTMS、TEOS等经溶胶-凝胶法合成杂化墨水，通过直写3D打印制备多孔支架。体外降解研究使用ICP-OES测定硅释放量，FTIR、1H-NMR分析降解产物，TGA测定无机/有机比，SEM观察形貌变化，并进行压缩测试和动态力学分析（DMA）。大鼠模型中将SC-250植入骶棘肌6周，通过H&E染色评估心、肝、肾、肺、脾等器官的细胞毒性；同时以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）为对照。绵羊模型取自左膝关节内外侧髁负重区，制作5 mm直径软骨缺损，植入SC-250或SC-500支架并以微骨折为对照，所有缺损均行微骨折并用骨膜瓣（PF）和氰基丙烯酸酯胶固定，3个月后取材。组织学分析采用H&E、Safranin-O/Fast Green、甲苯胺蓝染色及免疫组化检测II型胶原、I型胶原、聚集蛋白聚糖（ACAN）。定量分析使用QuPath软件计算染色阳性面积百分比。半定量评分采用研究人员新建立的HTGJ评分系统，由四名独立评估者进行。

四、研究结果

1. 体外降解研究：SC-250和SC-500在PBS中浸泡6个月，未出现溶胀。Si释放表现为早期较快，随后减缓但6个月内未达平台期。聚合物降解主要发生在前1个月，主要归因于PCL。TGA显示有机含量在浸泡前后保持约73-75 wt%，变化小于2%，说明无机和有机部分同步降解。SC-250支架在6个月浸泡后力学性能（破坏应力、应变、储能模量）基本保持不变，SEM显示降解仅影响表面形貌，未破坏整体架构。

2. 大鼠模型细胞毒性测试：SC-250植入大鼠6周后，未观察到死亡、体重显著变化或器官重量异常。H&E染色显示心脏、肾脏、肝脏、肺、脾脏均呈正常组织形态，无细胞毒性或形态学改变。这表明Bouncy Bioglass材料具备良好的体内生物相容性。

3. 绵羊模型定性软骨再生：SC-250处理的缺损被新组织几乎完全填充至原始关节表面水平，与周围组织良好整合，侧向连接健康软骨，垂直整合至软骨下骨。再生组织呈现正确的分区结构：浅表层平行排列的延长形软骨细胞，深层垂直排列的软骨细胞，潮线部分形成。SC-500处理组再生较少，表面下沉，可见纤维组织和低细胞区，结构无明显组织，邻近软骨有退变迹象。微骨折对照组仅形成薄层纤维组织，部分软骨下骨暴露，且约3只动物中出现骨囊肿。

4. 半定量软骨再生（HTGJ评分）：SC-250获得最高评分20/31，优于SC-500（约15%）和微骨折（约10%）。Outerbridge分级中SC-250接近2级，而SC-500和微骨折均为3级。SC-250在表面规则性、厚度、宽度填充和与相邻软骨结合方面得分最高，且厚度、宽度填充和结合评分显著高于SC-500。组织质量相关评分（基底整合、潮线形成、胶原结构等）在三组间无显著差异，表明3个月时间可能不足以完成软骨成熟。

5. 定量软骨再生：免疫组化定量显示，SC-250再生组织中II型胶原含量为66%，接近天然软骨的81%（仅低15%），显著高于SC-500的30%和微骨折的50%。I型胶原方面，微骨折组最高达40%，SC-250组约30%，SC-500组约20%，而天然软骨仅5%。聚集蛋白聚糖含量四组间无显著差异，但SC-250平均较SC-500高20%。蛋白聚糖含量天然软骨最高，但SC-250与天然软骨的差异（p<0.01）小于SC-500和微骨折（p<0.001）。SC-250促进的总组织再生量为80%，显著高于SC-500的60%和微骨折的62%（p<0.001）。这些定量结果验证了HTGJ评分系统的有效性。

6. 最佳SC-250样本：评分最高的个体样本展示了完全形成的关节软骨分区结构（浅表层、移行层、深层），未见骨囊肿，蛋白聚糖和II型胶原含量接近天然对照，I型胶原含量为所有样本中最低。

五、讨论与结论

讨论部分指出，SC-250支架在绵羊模型中表现优于临床标准微骨折，促进更高质量的软骨再生。II型胶原是关节软骨的关键标志物，SC-250再生的组织含有高比例II型胶原，虽仍有少量I型胶原，但类似ACI术后组织会随时间逐渐成熟、II型胶原增加，因此SC-250形成的组织有望继续向关节软骨方向重塑。HTGJ评分系统专门针对软骨缺损而设计，弥补了现有评分系统（O'Driscoll、ICRS II）仅适用于骨软骨缺损的不足，定量分析结果验证了其可靠性。研究还指出，尽管SC-250取得良好结果，但3个月时间可能不足以完全形成成熟关节软骨，需要更长期研究。此外，材料完全降解且无残留，说明其生物降解性良好。

结论部分翻译：研究人员的Bouncy Bioglass SC-250支架表现优于临床标准微骨折，促进了更优的软骨再生。Bouncy Bioglass在大鼠模型中未显示全身细胞毒性，所有内脏器官形态正常。在绵羊模型中，SC-250植入物相比SC-500或微骨折显著促进了更高体积的组织再生，几乎完全填充缺损部位。SC-250还再生了具有圆形软骨细胞的有组织的关节软骨分区结构。关节软骨形成的主要证据是其II型胶原含量平均高于SC-500或微骨折。研究人员专门为分析软骨缺损而开发的新HTGJ评分系统得到定量分析验证，并展示了SC-250植入物的软骨再生潜力。这些有希望的结果表明，Bouncy Bioglass SC-250在治疗软骨缺损和再生高质量关节软骨方面具有潜力。该研究发表于《Bioactive Materials》。