Bioactive Materials
生物仿生支架模拟软骨发育与微环境实现功能性软骨再生

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本研究设计了一种新型生物仿生三层层状支架，成功模拟软骨发育过程与微环境，促进软骨与钙化软骨的同步再生。通过单细胞RNA测序，揭示了SMSCs与新型软骨细胞CHON_5在修复中的协同作用，并鉴定FGF信号通路为关键调控机制，为骨关节炎治疗提供理论依据。

 

文献概述

本文《Bioinspired scaffold recapitulating chondrogenic ontogeny and microenvironment for functional cartilage regeneration》，发表于《Bioactive Materials》杂志，回顾并总结了一种仿生支架的设计与应用，该支架能够有效修复局部软骨缺损，同时重建软骨发育过程与局部微环境，为骨关节软骨再生提供了新策略。

背景知识

关节软骨因缺乏血管与神经，难以自我修复，局部软骨缺损若不及时干预，可能发展为骨关节炎，全球患病率预计在2050年达到10亿例。当前疗法多为缓解症状，终末期需关节置换，成本高昂。组织工程技术为软骨修复提供了新方向，但多数支架未能重建软骨发育的天然顺序与微环境，如软骨钙化区的形成与局部低氧环境的维持。本文研究团队通过仿生三层层状支架（CE-SKP/CPH/P2G3）成功模拟软骨发育过程，结合单细胞RNA测序，系统解析支架引导的细胞动态与信号通路变化，为软骨再生提供分子机制层面的深入理解。

 

提供标准化的小鼠表型分析服务，涵盖行为学、生理生化、病理学、基因与蛋白表达、代谢分析和细胞功能检测等，助力软骨修复相关机制研究。

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研究方法与实验

研究团队构建了三层层状支架：CE-SKP水凝胶层招募SMSCs并诱导软骨生成，CPH水凝胶层促进软骨细胞肥大钙化，P2G3纳米纤维膜隔离软骨下细胞，维持低氧微环境。支架在新西兰兔模型中植入后进行组织学与单细胞测序分析，评估软骨修复效果与细胞异质性。

关键结论与观点

• 支架成功重建软骨发育过程，从表层软骨到深层钙化软骨，修复效果在24周后接近天然软骨结构。
• 单细胞RNA测序鉴定出SMSCs与新型软骨细胞亚群CHON_5为关键修复细胞群体，SMSCs早期通过低氧应答与迁移促进修复，CHON_5在后期促进ECM重塑。
• FGF信号通路（FGF2-FGFR1/2与FGF18-FGFR1/2配对）在SMSCs与CHON_5之间起关键通讯作用，调控软骨再生的顺序性与功能整合。
• P2G3纳米纤维膜有效维持低氧环境，隔离软骨下细胞，避免修复结构紊乱，确保支架的生理级联反应。

研究意义与展望

该支架系统为功能性软骨再生与骨关节炎治疗提供了新策略，未来可进一步优化支架材料，结合生长因子递送与细胞移植技术，提升体内修复效率。此外，研究中揭示的FGF信号轴可作为药物靶点，为骨关节炎靶向治疗提供理论基础。

 

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结语

本文通过构建仿生支架系统，成功模拟软骨发育过程与局部微环境，实现了从软骨到钙化软骨的同步再生。单细胞RNA测序分析揭示了修复过程中关键细胞亚群与信号通路，为软骨组织工程提供分子机制依据。该研究不仅为当前软骨修复策略提供了结构与功能双重优化方向，也为骨关节炎的再生治疗奠定了生物材料设计与细胞通讯机制的基础。

 

Tianyu Yu, Xun Sun, Yang Liu, Yanhong Zhao, and Qiang Yang. Bioinspired scaffold recapitulating chondrogenic ontogeny and microenvironment for functional cartilage regeneration. Bioactive Materials.