DOI: 10.1039/D0TB00616E

关节软骨损伤一直是骨科的主要疾病之一。由于软骨的自我再生能力有限，软骨修复面临着长期挑战。组织工程学为软骨修复提供了一种新的有效途径。研究者在此报告了一种3D支架的制备方法，该支架可模拟软骨的天然结构，首先制备掺入了羟基丁基壳聚糖（HBC）水凝胶（HBC-NF水凝胶）的聚乳酸-乙醇酸（PLGA）电纺纳米纤维，然后将水凝胶注入带有内部微通道的3D打印聚己内酯（PCL）骨架中，以改善机械支撑和物质交换。如此获得的HBC-NF水凝胶在37℃下具有优异的胶凝特性，胶凝时间不超过15s。随着纳米纤维的掺入，人间充质干细胞（hMSCs）在HBC-NF水凝胶中显示出良好的增殖。由于添加了纳米纤维，HBC-NF水凝胶中的间充质凝缩和基质沉积的相关基因表达水平显著增加，这表明软骨分化显著增强。此外，将HBC-NF水凝胶注入3D打印PCL骨架中，导致形成具有显著改善机械性能的3D支架。更重要的是，通过PCL和牺牲材料Pluronic F-127的共同印刷，实现了细胞生长以及营养物质和废物交换的可调内部微通道的构建。具有内部微通道的PCL增强HBC-NF水凝胶支架在体内显示出增强的软骨形成和机械性能。总而言之，当前的研究表明，PCL骨架增强的具有可调内部微通道的HBC-NF水凝胶为hMSCs的生长和软骨分化提供了理想的仿生微环境，在软骨组织工程中具有广阔的应用前景。

图1.（a）PLGA纳米纤维和（b）（c）短纳米纤维的SEM图像。（d）以KBr颗粒测量的壳聚糖和HBC的FTIR光谱。（e）HBC在37℃时的凝胶化曲线（上图），曲线部分放大接近15s（下图）。

图2.（a）和（b）HBC、（c）和（d）HBC-NF（2:1）、（e）和（f）HBC-NF（1:1）水凝胶的SEM图像。

图3.（a）在37℃下，HBC、HBC-NF（2:1）和HBC-NF（1：1）水凝胶在不同频率下的动态模量。（b）HBC、HBC-NF（2:1）和HBC-NF（1:1）水凝胶的体外降解曲线。（c）分别暴露于HBC、HBC-NF（2:1）和HBC-NF（1:1）水凝胶提取物的hMSCs的相对活力。（d）分别培养1、3和7天后，用CCK-8法检测封装在HBC、HBC-NF（2:1）和HBC-NF（1:1）水凝胶中的hMSCs的增殖。（*p<0.05，**p<0.01）

图4.（a）在软骨形成培养基中培养3天后，嵌入水凝胶中的hMSCs中的缩合特异性基因的定量PCR分析。（b）体外培养4周后，在负载hMSCs的水凝胶中，GAG的番红O染色和Ⅱ型胶原的免疫化学染色。（c）Blyscan法分别检测HBC、HBC-NF（2:1）和HBC-NF（1:1）水凝胶中产生的GAG含量（按每个样品的干重标准化）。（*p<0.05，**p<0.01）。

图5.（a）显示了使用PCL和Pluronic F-127进行骨架3D打印的示意图。在该方案中，PCL（棕线）和Pluronic F-127（绿线）被共同印刷以制备骨架。在数码照片中，骨架由PCL（白线）和Pluronic F-127（蓝线）组成。（b）具有内部微通道的PCL-水凝胶支架的3D制备。水凝胶注入后，将Pluronic F-127冲洗掉以形成内部微通道。（c）PCL-水凝胶结构（左）和具有内部微通道结构的PCL-水凝胶支架的显微图像（右）。蓝色箭头指示PCL线，红色箭头指示微通道。

图6.（a）体外培养4周后，体内培养1个月，（Ⅰ）PCL-HBC支架、（Ⅱ）具有内部微通道的PCL-HBC支架、（Ⅲ）PCL-HBC-NF（1:1）支架和（Ⅳ）具有内部微通道的PCL-HBC-NF（1:1）支架中GAG的番红O染色和Ⅱ型胶原的免疫化学染色。（b）皮下植入PCL骨架增强水凝胶支架的小鼠的照片。（c）体内植入一个月后具有内部微通道支架的压缩模量（*p<0.05）。