Bioactive Materials
人源间充质干细胞在分级支架-水凝胶复合材料中的功能活动

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本研究开发了一种三相支架系统，包含非矿化各向异性胶原支架、矿化等规胶原支架和硫醇化明胶（Gel-SH）水凝胶界面，支持hMSCs在界面区域的纤维软骨表型基因表达，为肩袖肌腱-骨连接组织工程提供新思路。

 

文献概述
本文《Mesenchymal stem cell activity across a graded scaffold-hydrogel composite biomaterial for tendon-to-bone enthesis repair》，发表于《Bioactive Materials》杂志，回顾并总结了三相支架系统中hMSCs的活性表现，该系统模拟天然肩袖连接结构，支持干细胞在无外源生长因子条件下向纤维软骨表型分化。研究通过材料科学与细胞行为的结合，为肌腱-骨连接修复提供了潜在解决方案。

背景知识
肩袖撕裂是常见的骨科疾病，修复失败率高，主要归因于肌腱-骨连接结构（enesis）的复杂性未被传统手术恢复。纤维软骨连接区由四个区域组成：肌腱、非矿化纤维软骨、矿化纤维软骨和骨，具有成分和结构的渐变特征。传统生物材料难以模拟这种梯度结构，导致再生失败。近年来，分级生物材料和多区室支架逐渐成为研究热点，以期通过结构引导促进干细胞区域特异性分化。本研究基于胶原蛋白和明胶的组合，构建具有物理渐变的三相支架，评估其对hMSC行为的调控能力，为再生医学提供新型材料系统。

 

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研究方法与实验
研究团队通过冷冻干燥技术构建三相支架，分别使用非矿化胶原、矿化胶原和硫醇化明胶（Gel-SH）水凝胶前体溶液，在模具中分层加载后进行冷冻干燥，形成具有连续过渡区域的支架。支架经环氧乙烷灭菌、再水化和交联处理后用于细胞培养。材料性能通过SEM、SHG、μCT和机械拉伸测试进行评估，细胞活性通过alamarBlue™检测，基因表达使用NanoString和RT-qPCR分析，TGF-β1分泌通过ELISA检测。

关键结论与观点

• 三相支架成功构建了从肌腱到骨的渐变微结构，Gel-SH区域孔径较大，肌腱区各向异性更强，骨区孔结构更均匀。
• 支架在干燥和水化状态下均具备良好的力学性能，水化后延展性增强，断裂应变超过10%，适用于体内植入。
• hMSC在三相支架上24小时后均匀分布并保持活性，第21天代谢活性显著高于初始水平，证明支架具有良好的细胞兼容性。
• 在Gel-SH区域，hMSC显著上调COL1A1、COL3A1、SOX9、BMP4、TGFβ1等基因，提示纤维软骨表型诱导。
• ELISA检测显示TGF-β1分泌在第7天后显著增加，与基因表达一致，表明支架可支持细胞因子的自分泌释放。
• 尽管支架支持细胞活性，但未观察到明显的矿化或蛋白聚糖沉积，提示需要进一步优化以促进功能性纤维软骨形成。

研究意义与展望
本研究首次展示了一种无需外源生长因子即可支持hMSC向纤维软骨表型分化的三相支架系统，为肌腱-骨连接再生提供基础。未来研究将集中于引入机械刺激、调控细胞微环境、优化支架降解速率，以实现更稳定的纤维软骨组织形成。此外，该系统可用于研究细胞-材料相互作用和组织过渡机制，推动再生医学材料的个性化设计。

 

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结语
该研究提出了一种用于肩袖肌腱-骨连接修复的三相生物材料，由非矿化胶原、矿化胶原和Gel-SH水凝胶组成。材料具备结构渐变性和力学稳定性，支持hMSC长期存活并诱导纤维软骨相关基因表达。尽管未实现完全矿化或基质沉积，但为开发无外源生长因子的生物材料提供新方向。该系统可进一步用于研究细胞微环境调控机制，支持组织工程和再生医学的发展。

 

Kyle B Timmer, Megan L Killian, and Brendan AC Harley. Mesenchymal stem cell activity across a graded scaffold-hydrogel composite biomaterial for tendon-to-bone enthesis repair. Bioactive Materials.