關(guān)節軟骨是一種無(wú)血管和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的彈性結締組織，提供低摩擦表面以及消除關(guān)節在運動(dòng)中承受的應力。關(guān)節軟骨損傷常見(jiàn)于老年人或過(guò)度運動(dòng)的年輕人的膝關(guān)節中，軟骨結構的退化會(huì )導致退行性關(guān)節疾病，使得關(guān)節組織斷裂、變薄以及失去機械完整性，給患者帶來(lái)極大的身體痛苦。目前軟骨修復策略的治療方法無(wú)法充分替代或再生受損軟骨。隨著(zhù)組織工程的快速發(fā)展，水凝膠因其溶脹性、降解性、力學(xué)特性以及良好的生物相容性從而可以很好地模擬細胞外基質(zhì)，已成為具有廣泛潛力的關(guān)節軟骨基質(zhì)替代品。軟骨細胞作為關(guān)節軟骨中唯一的細胞種類(lèi)，在組織工程中被廣泛使用。但其細胞數量少，通常需要在體外擴增，這一過(guò)程導致軟骨細胞容易失去表型的穩定性。因此，維持軟骨細胞表型以產(chǎn)生彈性透明軟骨在組織工程中至關(guān)重要。

?中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)中心有機納米光子學(xué)實(shí)驗室鄭美玲研究員團隊，近期在軟骨細胞體外培養細胞表型維持方面取得新進(jìn)展。該團隊研究并優(yōu)化了生物相容性的牛血清白蛋白材料，設計并利用飛秒激光無(wú)掩膜面投影光刻技術(shù)制備了不同孔徑尺寸和不同材料體系的仿軟骨細胞周基質(zhì)支架，探究了支架的孔徑、孔深、硬度以及浸潤性對軟骨細胞的影響，維持了體外培養過(guò)程中軟骨細胞的圓形形態(tài)、調控了軟骨相關(guān)基因的表達并生成了軟骨基質(zhì)。該研究提出的利用生物相容性材料和靈活的激光微納制造技術(shù)制備精細度可控的仿軟骨細胞周基質(zhì)結構組織工程支架的方法，實(shí)現了軟骨細胞體外培養，有望擴大細胞移植在治療軟骨相關(guān)疾病方面的應用。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Healthcare Materials (DOI:10.1002/adhm.202400849)上，博士研究生李騰為論文第一作者，鄭美玲研究員為通訊作者。

?飛秒激光無(wú)掩膜面投影光刻技術(shù)是一種高效率和靈活化地制備微納結構的新興技術(shù)。考慮到軟骨細胞周基質(zhì)的形貌和尺寸，作者設計了同等（S）、五倍（M）和十倍（L）于兔軟骨的仿軟骨細胞周基質(zhì)支架，并詳細研究了支架的硬度、孔深以及浸潤性（圖1）。

圖1. 仿軟骨細胞周基質(zhì)支架的設計、制備及性能研究

?作者將軟骨細胞與制備的支架共培養，發(fā)現軟骨細胞因在不同孔徑尺寸支架上受到幾何約束作用不同而導致軟骨細胞形態(tài)出現顯著(zhù)差異，其中，M孔支架上的軟骨細胞能很好地維持圓形形態(tài)（圖2）。

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圖2. 不同支架上軟骨細胞的熒光顯微成像對比

?進(jìn)一步地，通過(guò)免疫熒光染色分析了不同支架上軟骨基質(zhì)主要蛋白的合成情況，利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析了軟骨相關(guān)的基因表達情況（圖3）。結果發(fā)現，軟骨細胞在M孔支架上有效地維持了軟骨細胞的原始表型，調控了基因表達，并形成了透明軟骨基質(zhì)。

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圖3. 軟骨基質(zhì)的主要蛋白表達和基因表達分析

該工作是研究團隊前期一系列仿生水凝膠工作以及飛秒激光面投影納米光刻技術(shù)發(fā)展（Small 2023, 2300311；Adv. Funct. Mater. 2023, 2300293；ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 26472-26483；Nano Lett. 2022, 2, 9823-9830；Nano Lett. 2021,21, 3915-3921）的拓展與深入。相關(guān)研究工作得到中國科學(xué)院國際伙伴計劃、科技部納米科技重點(diǎn)專(zhuān)項、國家自然科學(xué)面上基金等項目的大力支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202400849