佐治亚理工学院夏幼南Advanced Materials：矿物质含量梯度渐变反蛋白石支架用于干细胞成骨分化的空间调控

撰稿 | 淡淡的天空            编辑 | 化学加 [好文分享：www.11jj.com]

导读

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近日，佐治亚理工学院夏幼南教授课题组（通讯作者）在国际顶级期刊 Advanced Materials上成功发表 “Inverse Opal Scaffolds with Gradations in Mineral Content for Spatial Control of Osteogenesis”的论文。论文第一作者为朱春雷博士、仇吉川和Suphannee Pongkitwitoon博士。该研究描述了矿物质含量梯度渐变反蛋白石支架的设计和制备，并利用其实现了干细胞成骨分化的空间调控。

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【引言】

肌肉骨骼系统依靠许多界面来传递矿化组织和非矿化组织之间的负荷，包括软骨与骨，肌腱与骨和韧带与骨之间的界面。这些组织界面通常表现出矿物质含量、组织结构、细胞表型和胞外基质的梯度渐变，它们对于组织间的功能性整合、应力削减以及负荷传递极其重要。由于组织界面在受损后无法再生，通常需要手术的方式将软组织重新连接到骨上以实现关节功能的恢复。然而手术介入通常不能有效创建功能性过渡组织，因此大多数修复治疗并不能得到理想的临床效果。

近年来，界面组织工程已经成为修复骨科组织界面的一种极其有前景的方法。该方法利用接种有细胞的3D支架在“软组织”和“硬组织”重建稳固的界面。为了促进功能性组织界面的再生，在设计和制备这类支架时应当考虑几个重要的原则。首先，支架应具备多孔结构以促进细胞的浸润和增殖。其次，支架应提供空间渐变的生化和/或机械诱因以在组织间产生平滑的过渡。第三，支架应当以连贯的整体结构呈现，以确保再生组织间的无缝衔接。虽然曾有相关研究模拟骨科组织界面中的矿物质梯度，但它们大多集中在制备多层支架上，而并非结构连贯的3D支架。多层支架的潜在问题在于相邻层之间的非平滑边界，这对于光滑组织界面的再生非常不利。此外，这些多层支架的孔结构不具有高度均一性，导致单个支架内部机械性能的不均一以及不同批次支架间制备的不可重复性。支架结构性能的不均一会直接影响局部组织的再生能力，因而极大地限制了它们在组织工程中的应用。反蛋白石支架具有周期性高度有序的孔结构，已广泛用于骨、软骨和骨-软骨的修复与再生。由于其均匀的孔隙和相互连接的孔腔以及不同批次间物理性质的高度均一性，它们正成为一类理想的仿生材料。然而，利用这类支架构建细胞表型梯度渐变的研究却没有被报道过。因此，该研究将重点放在了制备具有羟基磷灰石（HAp）矿物质含量梯度渐变的反蛋白石支架上，并利用其实现对脂肪间充质干细胞（ASC）成骨分化的空间调控。大量研究表明，干细胞的分化可以通过基底组成和机械应力来调控，因此我们预期ASC的成骨分化应遵循矿物质的梯度变化而变化。据我们所知，这项研究首次报道了矿物质含量梯度渐变的反蛋白石骨架并用其实现成骨分化的空间调控，我们相信这类3D支架将为组织工程和再生医学的发展提供一种新型的工具和手段。

【成果简介】