用于软骨再生的具有可注射性和可原位发泡形状适应性的多孔生物基聚氨酯支架

关节软骨在人体内承担着重要的负重和运动功能。在严重的撞击或扭转下，膝关节软骨会出现碎片化的损伤。这种损伤往往呈不规则形状，导致受影响区域应力失衡，进而进一步损害软骨组织。 此外 ，由于关节软骨缺乏血管及其他营养供应，仅靠其自我修复很难实现软骨的有效再生。因此，如何实现不规则关节软骨损伤的修复，是目前临床治疗的一个巨大挑战。可注射材料可以 实现 原位交联， 能很好地 填 补 软骨缺损的形状， 得到了研究者的关注。 但是 ， 可注射水凝胶往往溶胀率较大 ， 植入体内后 会水凝胶的力学性能与微观结构 会发生 显著改变 ； 而且其 力学性能 也 往往较差，在较长时间内难以维持稳定状态， 因而会 对重建过程产生极大的影响。为了解决这样的问题，来自 北京科技大学的郑裕东教授 以及解放军总医院的孟昊业教授团队合作利用聚氨酯预聚物、明胶以及 1 ， 4- 丁二醇（ BDO ）构建了一种可注射多孔聚氨酯支架（ PUBGF ），这种可注射支架不仅具有良好的力学性能以及可注射性能， 由于其中组分 明胶的降解 可以 有效促进软骨的生长，为软骨损伤修复提供了一条新思路（图 1 ）。

首先，研究者们通过 FT-IR 检测发现 异氰酸根（ -NCO ） 在注射时 可快速发生 反应（图 2a ）。进一步的，研究者们在循环压缩的条件下对可注射 PUBGF 进行力学 性能 分析。结果如（图 2c) 所示，相比于其它组， PUBG 不仅能 维持注射后 的 发泡性能 ， 同时还表现出更 快 速的硬化过程（图 2c-f ） ， 压缩模量 也 有显著提升，而孔隙率则依然稳定在较高的水平（图 2g ， h ）。上述结果表明 PUBGF 具有注射后快速固化的性能， 具有良好的力 学性能 ， 可以 适用于软骨损伤修复。

进一步的，研究者 对 支架的体内降解性能进行了相应的检测，结果显示， PUBGF 组表现出 较 快的降解速率（图 3a ）， 而 通过 热重（ TG ）分析发现 PUBGF 组中的明胶段 会 在 2 周时 发生 显著降解（图 3b ， c ） 。进一步的 ， 研究者 考察了 直接注射支架和传统支架在物质保留方面的降解特征之间的 差异。 注射 -PUBGF （ IPUBGF ）通过注射到容器中进行降解试验，而其对应物，由精确切割成均匀形状的 PUBGF 组成。结果显示 I-PUBGF 支架的降解产物 - 特别是明胶片段 - 早期会 主要保留在支架内 ， 不会很快释放到支架外（图 3e ， f ）。 进一步地，研究者 采用激光共聚焦显微镜对支架外层超微结构进行表征 ， 发现 PUBGF 注射后会形成 一个 相对 密封的外表面 ， 而 随着 降解， PUBGF 支架 内 会有 大量孔隙 产 生， 且 孔隙数量 会 持续增加（图 3d ， g ）。 接着 ，研究者使用流体力学有限元分析探究了孔隙结构改变产生的影响，结果表明，当 支架 表面孔隙较小时， 支架 内部流动困难 ， 则有利于 修复初始阶段 时 ，明胶和其他物质 在支架内的 保留为软骨再生提供优势 ； 然后随着支架降解后孔隙的产生和孔径的增大，有利于 流 体轻 松通过 ， 因而有利于修复后期 组织修复物质的不断积累 ( 图 3(i)) ， 从而促进 软骨 组织的修复。

活死染色与骨架染色表明，所有组别的支架均具有良好的生物相容性（图 4a-c ）。进一步的，划痕实验、阿尔新兰染色以及 II 型胶原免疫组化染色显示 ， 相比于对照组， PUBGF 组展现出最佳的促细胞迁移以及 ECM 合成的能力，具有最佳的体外软骨修复效果（图 4d-h ）。

在明确了支架的体外修复效果后，研究者构建了小鼠股骨髁间骨软骨损伤模型，用于验证 PUBGF 的体内治疗效果。步态分析实验表明，相比于直接填入 PUBGF ，注射入 PUBGF （ I-PUBGF ）可以更好地维持小鼠的步态， 和 减少小鼠股骨髁间缺损后关节下骨的丢失（图 5 ）。

组织学染色表明， 相比于其他组， I-PUBGF 可以 更 好 地 维持损伤后关节面的解剖结构，且支架对于小鼠的肝肾功能均没有影响，具有良好的体内安全性（图 6 ）。进一步的， 8 W 、 12 W 时的组织学染色结果表明， I-PUBGF 可以有效实现骨软骨损伤的修复，损伤部位有大量新生高表达 II 型胶原的透明软骨形成（图 7 ） ， 表明 I-PUBGF 在体内同样具有良好的软骨再生效果。

综上所述，研究者利用聚氨酯预聚物、明胶以及 1 ， 4- 丁二醇（ BDO ）构建了一种可注射多孔聚氨酯支架（ PUBGF ），这种可注射支架不仅具有良好的力学性能以及可注射性能，还能有效促进软骨的生长，为软骨损伤修复提供了一条新思路。

该研究由北京科技大学的郑裕东教授以及解放军总医院的孟昊业教授合作完成，并于 2024 年 5 月 13 日在线发表于 Bioactive Materials 。

文献信息： Abudureheman Bahatibieke, Shuai Wei, Han Feng, Jianming Zhao , Mengjiao Ma, Junfei Li, Yajie Xie, Kun Qiao, Yanseng Wang, Jiang Peng, Haoye Meng**, Yudong Zheng*, Injectable and in situ foaming shape-adaptive porous Bio-based polyurethane scaffold used for cartilage regeneration, Bioact Mater 2024, 39: 1-13.

供稿：于启帆

审校：朱彩虹

编辑：江浩