基于弹性模量梯度支架和纤维环源干细胞的组织工程纤维环构建和功能研究

椎间盘退变是许多疾病的根源，但常规治疗不仅难以从根本上终止退变进程，反而可能引发临近节段退变。通过组织工程方式培育仿生椎间盘以替换退变组织可望解决这一问题，却受制于其关键承载部位纤维环的有效构建。前期研究表明，组织工程支架材料的力学特性对种子细胞的行为具有关键影响。本研究拟针对纤维环具有径向弹性模量梯度的特点，合成一系列与其模量相仿的聚氨酯作为支架材料，并仿照纤维环的微观结构特性，通过静电纺丝制备具有径向模量梯度的斜交叠层纳米纤维支架。同时，拟从纤维环组织中分离纯化具有多向分化潜能的纤维环源干细胞，种植于支架中进行体外及体内培养后，形成组织工程化纤维环。本研究将通过模拟纤维环组织的力学和结构特性，揭示支架材料的弹性模量对组织工程化纤维环的化学组成和力学强度所起的关键作用，为开发生物学特性和力学功能接近正常组织的仿生纤维环提供理论基础和实践依据。

项目背景：椎间盘关键承载部位纤维环的有效构建是椎间盘组织再生的难点。由于纤维环组织的细胞类型、基质组成、力学性能等呈现典型的径向梯度变化，而支架材料的力学特性对种子细胞的行为具有关键影响，本项目从材料学角度出发，结合力学和细胞生物学，合成与纤维环组织弹性模量类似的支架材料，一方面用于模拟实际组织在力学上的梯度渐变，另一方面通过材料力学性能影响种子细胞的分化和基质分泌，以实现纤维环组织的仿生构建。..主要研究内容与重要结果：我们表征了纤维环组织的细胞类型、基质组成、力学性能沿径向上的区域差异性，为后续研究提供了参考指标。根据实际组织的弹性模量范围，合成了系列具有不同弹性模量的聚氨酯材料，均具有良好生物相容性和适度降解性能。同时，从纤维环组织中分离鉴定了纤维环源干细胞（AFSCs），发现其比骨髓间充质干细胞（BMSCs）具有更强的向软骨细胞或类纤维环细胞分化的潜能，可有效应用于纤维环组织工程中。将聚氨酯材料通过静电纺丝技术制备成纳-微米纤维支架后，考查了材料力学性能对AFSCs分化的影响，发现低、中、高弹性模量的材料分别有利于AFSCs向类似于纤维环内、中、外区细胞分化并表达相应基质。我们进一步模拟实际组织中胶原纤维的定向排列，考查聚氨酯支架材料的微观结构对AFSCs分化的影响，发现材料的定向纤维结构对AFSCs分化具有更明显促进作用。在动物实验中发现，将AFSCs移植于兔椎间盘纤维环缺损处后，可有效遏制椎间盘退变并促进其恢复。..关键数据及其科学意义：本项目对纤维环组织的表征为纤维环组织工程化构建提供了参考标准。AFSCs相对于BMSCs的优势以及后续动物实验明确证实，AFSCs可作为纤维环组织工程的有效种子细胞。不同弹性模量聚氨酯对AFSCs基因表达和基质分泌影响的研究则揭示了材料力学特性在复杂组织再生构建中的重要性和必要性。同时，对实际组织微观结构的模拟对于组织工程构建也极为重要。..至今已发表标注本项目批准号的论文15篇（其中SCI论文11篇，英文及核心期刊论文4篇），申请中国发明专利2项。