当前骨关节炎（OA）已跃居困扰美国人疼痛和残疾的首要病因之一，据统计每年有超过3200万的患者会花费平均16000美元投入治疗。目前骨关节炎的临床治疗方案分为：1、抗炎和疼痛缓解，这种方案治标不治本；2、生长因子结合细胞支架移植，这类治疗的效果有限、免疫副作用较大；3、软骨组织移植，同样会面临免疫反应和供体有限的问题；4、合成软骨支架移植，尽管合成的供体不受限但其承重效力受限。
针对以上问题，康涅狄格大学Thanh D. Nguyen研究团队进行了科学探索，设计了一种生物可降解聚左旋乳酸纳米纤维支架，在压力条件下或关节负载作用下产生压电效应，促进软骨细胞和软骨组织再生。也就是说不需要额外的电池，仅需植入可降解聚乳酸支架，就能实现边走路，边产生微电流，实现软骨再生！患有严重骨关节缺陷的兔子接受压电支架移植后，经过1到2个月的运动，表现出透明软骨再生，完全恢复的软骨组织被大量软骨细胞和II型骨胶原包裹。相关成果以“Exercise-induced piezoelectric stimulation for cartilageregeneration in rabbits”为题，发表于Science 子刊《Science Translational Medicine》，并被选为封面论文，中国博士后Yang Liu（2013哈工程本科，2018北大博士）为第一作者。
1、解析PLLA纳米纤维薄膜在施加压力后的压电性能
研究团队应用3D打印技术获得一个由纳米纤维薄膜构成的软骨支架，胶原作为纳米纤维膜之间的黏连层，一旦施加压力就会产生电荷。虽然压电层的纳米纤维是定向垂直排列的，但骨胶原黏连层存在允许细胞内向生长的空间。接着，研究团队运用致动器给每层薄膜施加30N的力，然后用静电计测量PLLA薄膜的输出电荷。结果显示，薄膜顶部带负电荷，底部在电子交换后带正电荷，表明压电薄膜呈电极性。通过比较压电薄膜和纳米薄膜施加连续压力（70-600KPa）的输出电荷，发现只有压电薄膜的输出电荷随施加压力的增加而明显增加，压电薄膜表面电荷与施加压力的斜率为纳米薄膜的10倍以上。同时，研究团队还发现施加33N的力，PLLA薄膜的输出电压约3.6V，并且输出电压与施加压力呈线性关系。
图1软骨生成的生物可降解压电支架
2、生物可降解PLLA压电支架和物理压力刺激促使ADSCs差异分化生成软骨
接下来，研究团队将压电PLLA薄膜制成一个多孔三明治支架，并由鼠尾胶原连接，同时纳米压电PLLA薄膜与鼠尾胶原也以相同结构组装。经过单向拉伸试验测试，压电薄膜支架（642 ± 84 MPa）比纳米压电薄膜（435 ±61 MPa)显示更高压缩系数。另外，在压力刺激下压电薄膜的降解速率会更快，尤其是在第5天降解速率出现陡增，同样细胞培养基也会使其降解变快。研究表明压电薄膜和纳米压电薄膜均对兔ADSCs细胞没有毒性且溶血试验也表明PLLA材料与其生理兼容，在施加压力后兔ADSCs细胞在压电薄膜中迁移得更远。
进一步研究团队将ADSs置于支架的负电表面，并提供可控压力的驱动系统施加压力（0.08 MPa，20 min/天，共14 天）。结果表明80KPa刺激的压电支架的ADSs COL2A1、ACAN、SOX-9和粘多糖（GAGs）表达比其他三组都高，同时II型骨胶原染色免疫成像也表明在压电薄膜上培养的ADSs，施加压力后比其他三组生成的II型骨胶原更多。
图2 在施加0.08MPa的压力条件下，压电支架会增强兔ADSCs细胞分化生成软骨
3、给压电薄膜施加不同的力诱导软骨形成的效果
为评估施加不同压力对压电薄膜诱导软骨生成的效果，研究团队在控制其他因素不变的前提下，将施加压力的大小改为0.04和0.16MPa，结果经过14天的培养，压电支架上的ADSs的COL2A1、ACAN、SOX-9 mRNA表达水平与0.08MPa相似。在施加0.04和0.16MPa的压力下，压电支架培养的ADSs比纳米薄膜的表现出更分散。
图3.将施加压力大小由0.04MPa增加到0.04MPa，压电支架增强兔ADSCs细胞分化生成软骨类似
4、压电刺激通过增强胞外基质蛋白吸附、钙离子内流和内源TGF-β1分泌促进干细胞分化形成软骨
研究团队为了解析压电诱导软骨形成的机制，对压电支架带电表面吸附的纤连蛋白，ADSs分泌的内源TGF-β1以及在有无Ca 2+抑制剂培养的ADSs软骨形成基因的表达水平进行了测量。结果发现压电薄膜比纳米薄膜吸引更多的纤连蛋白，并且在压力条件下，压电薄膜带负电荷的顶部显示出比带正电荷的底部具有更强的蛋白吸附能力。当减少外源软骨生成培养基中的TGF-β3的浓度，其他因素保持不变的条件下培养ADSs，酶联免疫实验证明不论外源TGF-β3的浓度，在压电支架上培养的细胞TGF-β1浓度都增加。另外，PCR实验也表明在压电刺激组中，即使TGF-β3的浓度减少到50%或20%，COL2A1的表达水平仍然没有显著差异，而ACAN、SOX-9会受TGF-β3浓度的影响。以上实验结果证实压电刺激会诱导内源TGF-β1分泌，而TGF-β是软骨生成所必需的。同时，研究团队还通过添加Ca2+通道抑制剂证实阻止Ca2+内流会影响软骨生成。
图4 蛋白吸附、产生TGF-β1和Ca2+信号导致压电支架增强兔ADSCs细胞分化生成软骨
5、压电刺激增强兔软骨缺陷模型的软骨再生
研究团队将无细胞的支架移植到严重骨关节缺陷的兔子膝关节处，术后经过一个月的恢复，再让兔子在跑步机上每天运动20分钟以诱导支架作用。结果发现经过1到2个月的运动，移植压电支架的实验组比安慰组和对照组生成的软骨更多，且移植的关节表面更平滑，与周围组织融合得更好。另外，微型计算机断层扫描（CT）也揭示实验组的软骨下面骨的再生更好，表现为体积增加，同时实验组的国际软骨修复协会（ICRS）宏观评估得分也比安慰组和对照组更高。
进一步，II型骨胶原免疫组化揭示移植压电支架辅之运动会让股骨OC缺陷的透明质软骨再生，同时在透明质软骨表面可以观察到软骨细胞清晰且特有的轮廓。由于兔子主动或被动的活动可能促发压电支架，因此即使没有运动，接受压电支架移植的兔子软骨再生也有增强。总的来说与安慰组和对照组相比，移植压电支架的实验组经过一到两个月运动后，软骨再生最多，表现为整个OC缺陷处都填满新生软骨组织和健康的透明软骨结构，以及大量的硫酸化GAGs。研究者运用纳米压缩试验测试软骨组织的机械性能，发现实验组再生软骨的压缩系数（4.3±0.5GPa）较安慰组和对照组的大。
图5 运动诱导压电刺激增强兔软骨再生和软骨下骨的生成
图6运动诱导压电刺激导致移植处生成大量软骨细胞和II型骨胶原蛋白，另外一个月运动后软骨的压缩系数增加
6、总结
该研究团队展示了一种生物可降解压电PLLA纳米纤维支架在压力条件下或关节负载作用下可作为无需电池的电子触发器，在体外或体内通过增加胞外蛋白吸附、协助细胞迁移和招募，诱导内源性TGF-β经由Ca 2+通道分泌，最终促进软骨细胞和软骨组织再生。患有严重骨关节缺陷的兔子接受压电支架移植后，经过1到2个月的运动，表现出透明软骨再生，完全恢复的软骨组织被大量软骨细胞和II型骨胶原包裹。这种将可降解压电组织支架和可控机械激活相结合的技术对骨关节缺陷治疗具有重大作用，同时也将推广到其他受伤组织的治疗中。
来源：高分子科学前沿
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