香港中文大学魏涛、许建坤、秦岭《AM》：组织模拟膜助力肩袖损伤修复！

肩袖损伤是最常见的肌肉骨骼疾病之一，患病率高达~34%，给社会带来了巨大的疾病经济负担。肩袖损伤通常发生于肌腱-骨界面，引致剧烈疼痛及日常活动受限。临床上通常需经手术干预恢复肩关节功能，全球每年进行的肩袖肌腱手术超过110万例。然而，尽管肩袖修复术在过去几十年得到了显著的发展，术后再撕裂率仍长期处于20%至94%之间，这与腱-骨界面处的纤维软骨组织难以自发性再生密切相关。因此，临床上亟需先进的组织工程策略，以实现纤维软骨界面的功能性重建。

日前，香港中文大学魏涛教授、许建坤教授及秦岭教授团队联合开发了一种不对称生物界面薄膜，其可模拟腱-骨界面的异质性并同时释放促骨/促软骨双重生物诱导信号，成功引导界面组织再生并促进肩关节恢复正常生理功能，展现出巨大的临床应用前景。该研究以“Tissue Mimetic Membranes for Healing Augmentation of Tendon–Bone Interface in Rotator Cuff Repair”为题发表于《Advanced Materials》。祝宇微博士（现为江南大学副研究员）及代冰洋博士（现为香港理工大学研究助理教授）为本论文的共同第一作者。

【组织模拟膜的构筑及修复机制】

在本研究中，我们旨在构建一种可实现促成骨和促软骨因子原位共递送的界面组织仿生膜，以促进肌腱-骨界面的功能性修复（图1）。Kartogenin（KGN）是一种常见的杂环类小分子药物，其可促进多能间充质干细胞（MSCs）选择性分化为软骨细胞谱系，然而其疏水性大大限制了疗效。在此，我们首次合成了带有弱正电的KGN偶联聚（N-异丙基甲基丙烯酰胺）(PNIPMAM) 纳米凝胶（nGel）颗粒（nGel-KGN），并成功将其整合到微孔膜中以促软骨，达成了更持久和可控的释放模式并在受限环境（即肩袖）下优化了药物递送效率，较以往研究有显著改善（图2）。尽管含镁（Mg）的生物陶瓷用于骨再生被广泛研究，但其在腱-骨愈合中的疗效尚不明确。我们率先使用自合成的促成骨磷酸铵镁纳米线（St.），以构建模拟腱-骨界面区域的矿物梯度，并在缺损处促进成骨。最终，通过结合非溶剂诱导相分离（NIPS）和同轴静电纺丝技术，我们开发了一种双相仿生膜，其由含nGel-KGN的聚己内酯（PCL）-明胶A（GelA）微孔层和含St.的矿化PCL-GelA核-壳纳米纤维层（St.负载于PCL核内）组成（图2-3）。该仿生膜被植于肌腱和骨之间，近肌腱侧为含nGel-KGN的微孔层以模拟界面非矿化区域，而近骨侧为含St.的纤维层以模拟矿化区域。该仿生膜不仅作为原位载体调节nGel-KGN和St.的时空释放以构建生物诱导微环境，还提供了具区域特异性的形貌及化学组成（如矿化梯度）以引导愈合过程（如特定组织的长入，干细胞聚集和分化等）（图1）。

图 1双层不对称组织模拟膜的构筑及其于腱-骨界面的修复机制。

图 2nGel-KGN纳米粒子的合成及负载nGel-KGN微孔层的制备。

图 3核-壳结构纳米纤维层的制备。

【组织模拟膜的生物相容性及体外成骨/成软骨双重诱导效应】

本研究中所构筑的组织模拟膜具有优异的生物相容性，可为细胞黏附、浸润、迁移及增殖提供基质（图4）。我们进一步利用大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）验证了材料对成骨和成软骨双谱系分化的促进作用，并且发现nGel-KGN和St.的引入利于创建生物诱导微环境，从而显著促进干细胞的双谱系分化。然而，过量的nGel-KGN可产生抑制作用，这与其对干细胞增殖和聚集的负面效应有关（图5）。

图 4组织模拟膜的生物相容性。

图 5组织模拟膜的成骨/成软骨双谱系生物诱导效应。

【组织模拟膜的体内修复效果】

我们利用大鼠的肩袖损伤模型评价组织模拟膜的体内修复效果，结果表明，双相组织模拟膜的植入可显著抑制瘢痕组织的形成，并促进肌腱-骨界面的纤维软骨组织再生及肩袖生理功能的恢复。值得注意的是，引入了适量nGel-KGN及St.的500C/nGel-ES/St组表现出显著增强的细胞募集和双谱系分化能力、加速的骨组织长入及有序的胶原纤维形成，效果优于对照组及其他实验组。与体外研究结果一致，在体内也观察到nGel-KGN颗粒的负剂量反应，表明存在剂量阈值。此外，微孔层厚度的增加显著抑制了了界面组织再生，这可能归因于受限的肌腱-膜整合和加剧的炎症反应（图6-7）。

图 6组织模拟膜在大鼠肩袖损伤模型中的应用及体内修复效果评价。

图 7肌腱-骨界面组织的功能性再生。

【总结】

为优化肩袖手术后的恢复效果，我们成功开发了一种组织模拟膜，用于改善纤维软骨界面的愈合。该膜由含nGel-KGN的微孔层和负载St.的矿化核-壳纳米纤维层组成，其可模拟界面异质性并具双谱系生物诱导效应。在大鼠肩袖损伤模型中，组织模拟膜显著改善了肌腱-骨界面的再生效果，其中负载4% St.及5%的nGel-KGN、微孔层为~45.7微米的500C/nG-ES/St膜表现出最佳的再生性能。这一工作为解决肩袖及肌肉骨骼系统中其他界面组织缺陷提供了有效的临床解决方案。此外，所开发的双相组织模拟膜显示出优异的屏障功能和成骨诱导能力，展现出在引导骨再生（GBR）中的应用潜能。

来源：高分子科学前沿

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