半月板是人体膝关节内上下软骨面之间的楔形纤维软骨结构，可吸收震荡、缓冲压力、减少软骨面磨损，对增强膝关节稳定性至关重要。由于半月板空间结构的各向异性、所处生物力学微环境的复杂性及其内侧缺乏血供等特点，半月板尤其是其游离缘损伤后往往难以自我修复，从而造成关节应力分布失衡、促进关节磨损，显著增加骨关节炎发生风险，是临床上常见的难治性关节疾患。目前常用的临床治疗方法如部分切除、次全切除或全切除、同种异体移植和半月板假体仅能暂时缓解疼痛等症状，但远期效果均欠佳。近年来，组织工程技术的飞速发展为半月板修复提供了新的选择。
近日，北京大学第三医院运动医学研究所敖英芳教授课题组与北京大学工学院陈海峰教授课题组合作研究，在生物医学1区杂志《Theranostics》（2020 IF：8.063）上发表论文，报道了一种基于3D打印技术的力学、结构和功能三重优化的聚己内酯/蚕丝蛋白复合仿生半月板组织工程修复支架，具有优异的生物力学与生物学功能，可有效促进半月板损伤修复再生。
既往组织工程半月板支架制备材料往往具有生物相容性欠佳（如聚己内酯等）或力学强度较差（如海藻酸盐等）等弊端，由此可见，单一材料制备的支架无法有效实现半月板损伤后的功能与结构重建。在该项研究中，研究人员采用合成材料聚己内酯和天然材料蚕丝蛋白成功构建一种复合仿生半月板支架，具备力学、支架结构与生物学功能三重优化特性，可协同促进半月板损伤修复：力学方面，具备良好弹性与生物相容性的蚕丝蛋白可显著增强支架表面的震荡吸收能力，同时降低支架与上下软骨面的界面摩擦，提供利于内源干细胞粘附、增殖与分化的微环境；而聚己内酯可极大提高支架的生物力学性能，使其更接近天然半月板。因此，同时结合两种材料不同力学特性和降解速率可最优化匹配新生半月板组织形成的需要。结构方面，通过仿生设计和3D打印技术，使支架内部结构模拟原始半月板胶原纤维走行分布，且聚己内酯大孔与蚕丝蛋白小孔形成的“大孔套小孔”结构可显著提高干细胞粘附表面积。生物学功能方面，本研究应用团队前期研发的滑膜干细胞亲和多肽L7对支架进行了功能化处理，使支架能够对关节腔内自体滑膜干细胞进行募集，无需体外细胞移植即可实现半月板原位修复，并简化了支架制备与移植操作流程，更有利于临床转化。结果显示，新型复合支架植入兔膝关节腔内24周后，修复重建的再生半月板表现出更接近天然半月板的组织结构、生物学功能和生物力学强度，以及更好的关节软骨保护效果。
本研究构建的新型半月板组织工程复合仿生支架，融合聚己内酯和蚕丝蛋白的双重优势，通过对支架生物力学特性、结构设计和生物学功能进行优化，提供利于内源干细胞募集、增殖和分化的局部微环境，协同促进半月板修复与再生，并在其具有良好功能的基础上有效对关节软骨进行保护。通过该研究，敖英芳教授研究团队提出了一种力学、结构与功能优化的半月板支架结合内源干细胞进行自体、原位、一次性修复半月板的全新理念，同时为半月板损伤组织工程修复的临床转化与应用奠定了基础。
北京大学第三医院运动医学研究所李宗博士、程锦助理研究员与北京大学工学院吴妮尔博士为文章的并列第一作者，北京大学第三医院运动医学研究所敖英芳教授、胡晓青副研究员与北京大学工学院陈海峰教授为共同通讯作者。
参考文献
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.
原文链接：https://www.thno.org/v10p5090.htm
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