【科研摘要】
概述骨科界面組織空間複雜性的支架對其再生至關重要。這需要一種容易且靈活地製造具有對物理和化學性質進行空間控制的支架而不會導致硬界面的方法。最近，美國德州農工大學Melissa A. Grunlan教授團隊在《ACS Macro Letter》上發表了題為Spatially Controlled Templated Hydrogels for Orthopedic Interfacial Tissue Regeneration一文。他們生產了具有空間可調的排列和化學結構（SSTAC）的水凝膠支架。使用溶劑誘導的相分離/熔融鹽模板（SIPS /鹽），首先製備具有可調孔徑和一種或多種紫外線反應性大分子單體的支架元件。修整到所需的尺寸後，將它們物理配置並融合在一起以形成SSTAC。使用這種方法，準備了三種SSTAC設計，包括一種模仿骨軟骨界面的設計。明場/螢光顯微鏡揭示了相對大小和化學組成界面的孔徑和化學成分的空間控制，而與層組成無關。確定由SSTAC形成的界面要承受與沒有界面的類似支架相似的剪切力。
【圖文解析】
1.背景與凝膠製備方法
整形外科界面組織的再生嚴重依賴於支架設計，該設計概括了骨軟骨，肌腱和韌帶組織的界面或結構。腳手架化學和物理特性的空間控制可以利用材料指導的策略，其中再生僅靠這些特性來指導，而沒有外源性生長因子的指導。指導性支架性質的實例包括形態，疏水性，化學性質和模量。允許這些特性的靈活空間布置的策略將代表界面組織工程學的重大進步。已經研究了層狀支架以再生骨科界面。這些通常是通過機械附著，粘合或冷凍乾燥合併離散的支架而製備的。使用這些方法，將導致「硬界面」，無法模仿天然組織的逐漸過渡，這對於避免界面機械衰竭至關重要。儘管梯度支架表現出逐漸的轉變，但是這些通常僅是針對單一材料的性質，而且不一定產生組織狀的空間分布。在骨科界面組織再生中，同時實現幾種材料特性的精確空間控制以及避免硬界面仍然是一個挑戰。為了實現這一目標，作者演示了水凝膠「具有空間可調的排列和化學結構的支架」或「 SSTAC」的製備（圖1）。
圖1.製備骨軟骨界面組織再生的水凝膠SSTAC的一般策略。可以將具有不同物理和化學性質並具有指定厚度和/或幾何形狀的兩個或多個支架層與光滑的界面與聚（乙二醇）（PEG-DA）溶液合併。在該圖中，連接的兩層可能具有不同的大分子單體化學性質和/或孔徑。
作者先前工作開發了一種通過溶劑誘導相分離（SIPS）和鹽模板（即「 SIPS /鹽」）的組合來製備具有相互連接的可調大小大孔的離散水凝膠支架的方法。將可紫外線固化的大分子單體或大分子單體的組合溶解在有機溶劑中，並澆鑄在熔融鹽模板上。在隨後的固化和溶劑蒸發之後，與水接觸會浸出鹽模板並水化支架。使用這種方法，用聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEG-DA）生產模板化水凝膠支架。由於PEG-DA水凝膠缺乏材料引導的骨再生所必需的先天性骨誘導性和生物活性，因此作者引入疏水的無機共聚體來增強這些特性。作者證明了基於矽氧烷的大分子單體，星形聚二甲基矽氧烷甲基丙烯酸酯（PDMSstar-MA）成功地做到了這一點。因此，使用上述方法，製備了具有變化的矽氧烷含量的模板化PDMS：PEG水凝膠支架，表現出矽氧烷大分子單體的均勻分布。最近，同樣使用膦化的矽氧烷大分子單體聚（二乙基（2-（丙硫基-乙基）膦酸酯甲基矽氧烷）二丙烯酸酯（PPMS-DA）製備模板化水凝膠支架。這樣的PPMS：PEG水凝膠支架表現出進一步增強的疏水性和生物活性。因此，這種SIPS /鹽製備策略提供了一種產生具有可調孔徑和化學性質的大孔支架的方法。
2. 水凝膠支架器件機器力學性能
首先準備了由四個「交替」層組成的SSTAC（圖2）。通過具有相同孔徑但具有不同化學性質的SIPS/鹽分別製造支架元件（即，層）。對於每一層，準備的鹽模板具有相同的平均鹽尺寸（268±35μm）。用PEG-DA或PPMS-DA和PEG-DA製成15：85、30：70和45:55 mol％的支架元件。含鹽的腳手架元件可以很容易地用振動刀（Leica VT1000S）修整到一定範圍的厚度，保持完整性低至500μm（圖2A）。在小於或等於400μm的較小厚度下，鹽晶體開始從光碟上碎裂。
圖2.（A）在摻入SSTAC中之前，可以將含鹽的腳手架元件修整至低至500μm的厚度。（B）具有交替的100％PEG-DA和PPMS：PEG支架元件的四層SSTAC，其中PPMS-DA與PEG-DA的摩爾百分比不同；箭頭表示包含PPMS的層。（C）對於水合四層SSTAC [100％PEG-DA和PPMS：PEG（30:70 mol％）]：界面的明場（頂部）/螢光（底部）成像（用白色虛線表示） 線），其中含有PPMS的層被尼羅紅染料染色。（D）對於100％PEG-DA和PPMS：PEG（30:70 mol％）：形成SSTAC之前和之後的壓縮模量。（E）對於100％PEG-DA：在形成PEG：PEG SSTAC之前和之後，沿著界面的斷裂剪切力（左）和相應的剪切位移（右）。
使用上述方法，將四個具有相同厚度（高度=2毫米）的支架元件組裝成具有兩個PPMS：PEG層與兩個PEG層交替的SSTAC。儘管在最後一步（水合）過程中產生了溶脹，但仍產生了完整的整體SSTAC支架。由於PPMS：PEG層的相對不透明性，可以看到各層（圖2B）。
為了可視化層之間的界面，用疏水染料（尼羅紅）對SSTAC進行處理，以染色包含PPMS的層，並在明場和螢光顯微鏡下進行檢查（Zeiss AxioVert.A1）（圖2C）。明視野成像顯示目標孔徑（約370μm）和相互連接的孔形態。螢光圖像證實了兩層之間所需的相對柔軟的界面性質。
接下來，評估了SSTAC的機械性能，以評估將支架層合併在一起的影響。首先，從由100％PEG-DA和PPMS：PEG（30:70 mol％）交替組成的SSTAC中切成薄片，並進行無側限壓縮測試，然後與類似的支架（即未形成SSTAC）進行比較（圖2D）。
最後，研究了SSTAC接口的機械完整性。將由兩層100％PEG-DA組成的雙層SSTAC與相應的100％PEG-DA單支架（即未形成為SSTAC）進行比較。在中心界面與剪切平面對齊的受限剪切配置中對它們進行了測試。以2 mm/min的速率施加剪切應變直至失效。SSTAC和相應的常規腳手架都經歷了相似的剪切力破壞，儘管前者的破壞位移較低（圖2E）。
3. 水凝膠支架結構及形貌表徵
通過類似的協議，SSTAC形成了徑向分層的幾何形狀（圖3a）。兩層均使用相似的鹽模板（平均鹽尺寸為268±35μm）形成。100％PEG-DA外層的製備方法是將含鹽的支架修整到8 mm的高度，並用6 mm的模具製作一個中心孔。通過將含鹽的支架修整至6 mm×8 mm（直徑×高度），然後將其放入PEG-DA層的空芯中，從而製備PPMS：PEG（30:70 mol％）內層。在隨後的步驟將各層融合在一起之後，將最終的水合徑向SSTAC用模具衝孔以去除外表面。分析最終水合SSTAC的橫截面，以評估整個徑向界面上孔隙度和化學成分的空間控制。通過SEM，觀察到互連的孔形態得以維持，並且各層之間的界面缺乏硬界面（圖3B）。將SSTAC暴露於疏水性尼羅紅以染色PPMS：PEG（30:70 mol％）核後，目視確認化學的空間控制（圖2C）。在螢光和明視場成像下，儘管化學上有針對性的差異，但徑向界面仍能很好地整合（圖2D）。
圖3.（A）具有徑向幾何形狀的水凝膠SSTAC的製造，該結構由100％PEG-DA外環和PPMS：PEG（30：70％）核組成。徑向SSTAC的橫截面（彩色透明條表示沿界面的100％PEG-DA「藍色」和PPMS：PEG「粉紅色」）：（B）SEM圖像，（C）尼羅紅染色標本的照片，和（D ）染色樣本的螢光[左]和明場[右]圖像。
4. 空間軟骨組織形成
在最後一個示例中，作者演示了在空間上概括天然骨軟骨組織的三相SSTAC的形成（圖4A）。這三層分別對應於關節軟骨，骨軟骨界面和軟骨下骨。每層的孔徑和化學性質均基於預期可促進每種組織類型再生的孔徑和化學性質。首先，用100％PEG-DA和相對「小」尺寸的鹽模板（鹽尺寸為102±20μm）製備SSTAC的「支架層」（高度= 2.5 mm）。該層的較小的孔徑和較高的水合作用是與指導軟骨再生相關的特性。代表軟骨下骨層，準備了一個支架層（高度= 5 mm），上面有一個「大」尺寸的鹽模板（268±35μm鹽尺寸）和PPMS-DA：PEG-DA（30:70 mol％）。該化學方法的大孔徑以及骨誘導和生物活性性質可望促進骨骼生長。最後，在界面處，準備一個支架層（高度= 500μm），並使用「中等」尺寸的鹽模板（181±29μm鹽尺寸），以提供從軟骨到軟骨下骨的孔徑逐漸過渡層。該界面層用低濃度PDMS-MA，PDMS：PEG（15:85 mol％）製備。與其他層相比，這種「非膦化的」矽氧烷大分子單體和較低的濃度有望提供中等的生物活性反應，從而提供從軟骨到骨骼的理想仿生轉變。儘管孔徑和化學成分有所不同，但最終的骨軟骨SSTAC在各層之間仍表現出出色的整合性（圖4B–D）。
圖4.（A）模擬骨軟骨SSTAC設計。（B）在鹽模板浸出之前的SSTAC照片。（C）最終水合SSTAC的照片。（D）SEM圖像。（E）染色樣本的螢光[左]和明場[右]圖像。
參考文獻：
doi.org/10.1021/acsmacrolett.0c00712
版權聲明：「水凝膠」是由專業博士（後）創辦的非贏利性學術公眾號，旨在分享學習交流高分子聚合物材料學的研究進展。上述僅代表作者個人觀點且作者水平有限，如有科學不妥之處，請予以下方留言更正。如有侵權或引文不當請聯繫作者修正。商業轉載請聯繫編輯或頂端註明出處。感謝各位關注！