关节中的软骨是一个至关重要的组成部分，但其修复却非常困难。
西北大学的科学家开发了一种新型的生物活性材料，这种材料成功地在大型动物模型的膝关节中再生了高质量的软骨。
虽然这种材料看起来像橡胶状的粘液，但实际上它是一个由分子成分组成的复杂网络，这些成分共同作用，模仿体内软骨的自然环境。
新生物材料的微观图像。纳米纤维是粉红在这项新研究中，研究人员将这种材料应用于动物膝关节的受损软骨。仅仅六个月内，研究人员就观察到增强修复的证据，包括新的软骨生长，这些新软骨含有天然生物聚合物（胶原蛋白II和蛋白聚糖），这些生物聚合物使关节能够无痛地承受机械压力。
研究人员表示，通过进一步研究，这种新材料有望在未来用于预防全膝关节置换手术，治疗像骨关节炎这样的退行性疾病以及修复像前交叉韧带（ACL）撕裂这样的运动损伤。
这项研究将在8月5日这一周发表在《美国国家科学院院刊》上。
“软骨是我们关节中的关键组成部分，”领导这项研究的西北大学SamuelI.Stupp说。“当软骨受损或随着时间的推移而破裂时，它会对人们的整体健康和行动能力产生重大影响。问题在于，在成年人体内，软骨没有自我愈合的能力。我们的新疗法可以诱导一种不自然再生的组织的修复。我们认为我们的治疗方法可以帮助解决一个严重的、未满足的临床需求。”
作为再生纳米医学的先锋，Stupp是西北大学材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程的董事会受托教授，也是SimpsonQuerrey生物纳米技术研究所及其附属中心再生纳米医学中心的创始主任。JacobLewis是Stupp实验室的前博士生，是该论文的第一作者。
材料中包含什么？
这项新研究是对Stupp实验室最近发表的工作的跟进，在此前的研究中，该团队使用“跳舞的分子”来激活人类软骨细胞，促进构建组织基质的蛋白质的生成。新研究没有使用“跳舞的分子”，而是评估了一种在Stupp实验室开发的混合生物材料。新生物材料由两个成分组成：一种结合转化生长因子β-1（TGFβ-1）的生物活性肽——TGFβ-1是软骨生长和维持的关键蛋白质，以及一种改良的透明质酸——透明质酸是一种存在于软骨和关节润滑滑液中的天然多糖。
“许多人熟悉透明质酸，因为它是护肤品中的一种流行成分，”Stupp说。“它还天然存在于人体的许多组织中，包括关节和大脑。我们选择它是因为它类似于软骨中的天然聚合物。”
Stupp的团队整合了生物活性肽和化学改良的透明质酸颗粒，以驱动纳米纤维自组织成束，模仿软骨的自然结构。目标是创建一个吸引身体自身细胞再生软骨组织的支架。利用纳米纤维中的生物活性信号，材料通过细胞填充支架，促进软骨修复。
对照软骨（用番红染色），在图像的左上对人类的临床相关性
为了评估该材料在促进软骨生长方面的有效性，研究人员在绵羊的膝关节缺损中测试了它。这项工作在威斯康星大学麦迪逊分校兽医学院MarkMarkel的实验室进行。
Stupp表示，在绵羊模型中测试至关重要。与人类一样，绵羊的软骨顽固且非常难以再生。绵羊的膝关节和人类的膝关节在承重、尺寸和机械负荷方面也有相似之处。
“在绵羊模型上的研究更能预测这种治疗在人类中的效果，”Stupp说。“在其他较小的动物中，软骨再生更为容易。”
在研究中，研究人员将这种厚重的糊状材料注射到软骨缺损中，在那里它转化为橡胶状的基质。随着支架的降解，不仅新软骨生长填补了缺损，而且修复的组织质量始终高于对照组。
持久的解决方案
未来，Stupp设想这种新材料可以在开放关节或关节镜手术中应用。当前的标准护理是微骨折手术，外科医生在骨头下方制造小裂缝以诱导新软骨的生长。
“微骨折方法的主要问题在于，它通常会形成纤维软骨——这种软骨与我们耳朵中的相同——而不是我们需要的透明软骨，才能使关节功能正常，”Stupp说。“通过再生透明软骨，我们的方法应更能抵抗磨损，从而长期解决行动能力差和关节疼痛的问题，同时也避免了使用大型硬件进行关节重建的需要。”
这项研究题为《一种用于绵羊模型软骨修复的生物活性超分子和共价聚合物支架》，由Mike和MarySueShannon家族基金会资助，用于灵感来自生物和生物活性材料系统的肌肉骨骼再生。
处理过的软骨（用番红染色）显示缺陷被杂志：ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences
DOI：10./pnas.