半月板是人體膝關節內上下軟骨面之間的楔形纖維軟骨結構，可吸收震盪、緩衝壓力、減少軟骨面磨損，對增強膝關節穩定性至關重要。由於半月板空間結構的各向異性、所處生物力學微環境的複雜性及其內側缺乏血供等特點，半月板尤其是其遊離緣損傷後往往難以自我修復，從而造成關節應力分佈失衡、促進關節磨損，顯著增加骨關節炎發生風險，是臨床上常見的難治性關節疾患。目前常用的臨床治療方法如部分切除、次全切除或全切除、同種異體移植和半月板假體僅能暫時緩解疼痛等症狀，但遠期效果均欠佳。近年來，組織工程技術的飛速發展為半月板修復提供了新的選擇。
近日，北京大學第三醫院運動醫學研究所敖英芳教授課題組與北京大學工學院陳海峰教授課題組合作研究，在生物醫學1區雜誌《Theranostics》（2020 IF：8.063）上發表論文，報道了一種基於3D打印技術的力學、結構和功能三重優化的聚己內酯/蠶絲蛋白複合仿生半月板組織工程修復支架，具有優異的生物力學與生物學功能，可有效促進半月板損傷修復再生。
既往組織工程半月板支架製備材料往往具有生物相容性欠佳（如聚己內酯等）或力學強度較差（如海藻酸鹽等）等弊端，由此可見，單一材料製備的支架無法有效實現半月板損傷後的功能與結構重建。在該項研究中，研究人員採用合成材料聚己內酯和天然材料蠶絲蛋白成功構建一種複合仿生半月板支架，具備力學、支架結構與生物學功能三重優化特性，可協同促進半月板損傷修復：力學方面，具備良好彈性與生物相容性的蠶絲蛋白可顯著增強支架表面的震盪吸收能力，同時降低支架與上下軟骨面的界面摩擦，提供利於內源幹細胞粘附、增殖與分化的微環境；而聚己內酯可極大提高支架的生物力學性能，使其更接近天然半月板。因此，同時結合兩種材料不同力學特性和降解速率可最優化匹配新生半月板組織形成的需要。結構方面，通過仿生設計和3D打印技術，使支架內部結構模擬原始半月板膠原纖維走行分佈，且聚己內酯大孔與蠶絲蛋白小孔形成的“大孔套小孔”結構可顯著提高幹細胞粘附表面積。生物學功能方面，本研究應用團隊前期研發的滑膜幹細胞親和多肽L7對支架進行了功能化處理，使支架能夠對關節腔內自體滑膜幹細胞進行募集，無需體外細胞移植即可實現半月板原位修復，並簡化了支架製備與移植操作流程，更有利於臨床轉化。結果顯示，新型複合支架植入兔膝關節腔內24周後，修復重建的再生半月板表現出更接近天然半月板的組織結構、生物學功能和生物力學強度，以及更好的關節軟骨保護效果。
本研究構建的新型半月板組織工程複合仿生支架，融合聚己內酯和蠶絲蛋白的雙重優勢，通過對支架生物力學特性、結構設計和生物學功能進行優化，提供利於內源幹細胞募集、增殖和分化的局部微環境，協同促進半月板修復與再生，並在其具有良好功能的基礎上有效對關節軟骨進行保護。通過該研究，敖英芳教授研究團隊提出了一種力學、結構與功能優化的半月板支架結合內源幹細胞進行自體、原位、一次性修復半月板的全新理念，同時為半月板損傷組織工程修復的臨床轉化與應用奠定了基礎。
北京大學第三醫院運動醫學研究所李宗博士、程錦助理研究員與北京大學工學院吳妮爾博士為文章的並列第一作者，北京大學第三醫院運動醫學研究所敖英芳教授、胡曉青副研究員與北京大學工學院陳海峰教授為共同通訊作者。
參考文獻
Zong Li, Nier Wu, Jin Cheng, Muyang Sun, Peng Yang, Fengyuan Zhao, Jiahao Zhang, Xiaoning Duan, Xin Fu, Jiying Zhang, Xiaoqing Hu*, Haifeng Chen* and Yingfang Ao*. Biomechanically, Structurally and Functionally Meticulously Tailored Polycaprolactone/Silk Fibroin Scaffold for Meniscus Regeneration. 2020; 10(11): 5090-5106.
原文鏈接：https://www.thno.org/v10p5090.htm
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