美国西北大学团队研发出能再生膝关节高质量软骨的生物活性材料

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美国西北大学团队研发出能再生膝关节高质量软骨的生物活性材料

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西北大学研究团队开发出一种新型生物活性材料，能够在动物模型中成功再生高质量的膝关节软骨。这种材料由生物活性肽和化学修饰的透明质酸组成，能够在短短六个月内促进含有天然生物聚合物的新软骨生长。这一突破性成果有望为骨关节炎和运动损伤等疾病的治疗带来革命性变化。

西北大学的研究人员开发了一种生物活性材料，能够再生膝关节中的高质量软骨。这种新材料密切模仿软骨的自然环境，在动物模型中显示出有希望的结果，有可能减少对膝关节置换手术的需求，并改善骨关节炎和运动损伤等疾病的治疗。

创新软骨再生

西北大学的科学家们开发了一种新的生物活性材料，该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。虽然它看起来像一个橡胶状的粘液，但这种材料实际上是一个由分子成分组成的复杂网络，它们共同模仿软骨在体内的自然环境。

在这项新研究中，研究人员将这种材料应用于动物膝关节中受损的软骨。在短短六个月内，研究人员观察到了增强修复的证据，包括含有天然生物聚合物（胶原蛋白II和蛋白聚糖）的新软骨的生长，这些软骨使关节能够实现无痛的机械弹性。

新生物材料的微观图像。纳米纤维是粉红色的;透明质酸显示为紫色。图片来源：Samuel I. Stupp/西北大学

对关节健康的潜在影响

研究人员表示，随着更多的工作，这种新材料有朝一日可能用于预防全膝关节置换手术，治疗骨关节炎等退行性疾病，以及修复前交叉韧带撕裂等运动相关损伤。该研究将于8月5日当周发表在《美国国家科学院院刊》上。

“软骨是我们关节的重要组成部分，”西北大学的Samuel I. Stupp说，他领导了这项研究。“当软骨随着时间的推移而受损或分解时，它会对人们的整体健康和活动能力产生重大影响。问题是，在成年人中，软骨不具有固有的愈合能力。我们的新疗法可以在不会自然再生的组织中诱导修复。我们认为我们的治疗可以帮助解决一个严重的、未得到满足的临床需求。”

对照软骨（用番红染色），在图像的左上角显示有缺陷。图片来源：Samuel I. Stupp/西北大学

处理过的软骨（用番红染色）显示缺陷被填充。图片来源：Samuel I. Stupp/西北大学

作为再生纳米医学的先驱，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教授，他是辛普森奎里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。Stupp 在麦考密克工程学院、温伯格艺术与科学学院和范伯格医学院任职。雅各布·刘易斯（Jacob Lewis）是Stupp实验室的前博士生，是该论文的第一作者。

生物活性成分解释

这项新研究是在Stupp实验室最近发表的工作之后进行的，其中该团队使用“跳舞分子”来激活人类软骨细胞，以促进构建组织基质的蛋白质的产生。这项新研究没有使用跳舞的分子，而是评估了一种混合生物材料，这种生物材料也是在Stupp的实验室中开发的。这种新的生物材料由两种成分组成：一种与转化生长因子β-1（TGFb-1）结合的生物活性肽（TGFb-1）——一种软骨生长和维持的必需蛋白质——和改良的透明质酸（一种存在于软骨中的天然多糖）和关节中的润滑滑液。

“许多人都熟悉透明质酸，因为它是护肤品中的一种流行成分，”Stupp 说。“它也天然存在于人体的许多组织中，包括关节和大脑。我们之所以选择它，是因为它类似于软骨中发现的天然聚合物。”

Stupp的团队整合了生物活性肽和化学修饰的透明质酸颗粒，以驱动纳米级纤维的自组织形成模仿软骨自然结构的束。目标是为人体自身细胞创造一个有吸引力的支架，以再生软骨组织。利用纳米级纤维中的生物活性信号，该材料促进细胞的软骨修复，这些细胞填充在支架上。