关节软骨是一种无血管和神经网络的弹性结缔组织，提供低摩擦表面以及消除关节在运动中承受的应力。关节软骨损伤常见于老年人或过度运动的年轻人的膝关节中，软骨结构的退化会导致退行性关节疾病，使得关节组织断裂、变薄以及失去机械完整性，给患者带来极大的身体痛苦。目前软骨修复策略的治疗方法无法充分替代或再生受损软骨。随着组织工程的快速发展，水凝胶因其溶胀性、降解性、力学特性以及良好的生物相容性从而可以很好地模拟细胞外基质，已成为具有广泛潜力的关节软骨基质替代品。软骨细胞作为关节软骨中唯一的细胞种类，在组织工程中被广泛使用。但其细胞数量少，通常需要在体外扩增，这一过程导致软骨细胞容易失去表型的稳定性。因此，维持软骨细胞表型以产生弹性透明软骨在组织工程中至关重要。
中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学实验室郑美玲研究员团队，近期在软骨细胞体外培养细胞表型维持方面取得新进展。该团队研究并优化了生物相容性的牛血清白蛋白材料，设计并利用飞秒激光无掩膜面投影光刻技术制备了不同孔径尺寸和不同材料体系的仿软骨细胞周基质支架，探究了支架的孔径、孔深、硬度以及浸润性对软骨细胞的影响，维持了体外培养过程中软骨细胞的圆形形态、调控了软骨相关基因的表达并生成了软骨基质。该研究提出的利用生物相容性材料和灵活的激光微纳制造技术制备精细度可控的仿软骨细胞周基质结构组织工程支架的方法，实现了软骨细胞体外培养，有望扩大细胞移植在治疗软骨相关疾病方面的应用。相关研究成果发表在Advanced Healthcare Materials (DOI:10.1002/adhm.202400849)上，博士研究生李腾为论文第一作者，郑美玲研究员为通讯作者。
飞秒激光无掩膜面投影光刻技术是一种高效率和灵活化地制备微纳结构的新兴技术。考虑到软骨细胞周基质的形貌和尺寸，作者设计了同等（S）、五倍（M）和十倍（L）于兔软骨的仿软骨细胞周基质支架，并详细研究了支架的硬度、孔深以及浸润性（图1）。
图1. 仿软骨细胞周基质支架的设计、制备及性能研究
作者将软骨细胞与制备的支架共培养，发现软骨细胞因在不同孔径尺寸支架上受到几何约束作用不同而导致软骨细胞形态出现显著差异，其中，M孔支架上的软骨细胞能很好地维持圆形形态（图2）。
图2. 不同支架上软骨细胞的荧光显微成像对比
进一步地，通过免疫荧光染色分析了不同支架上软骨基质主要蛋白的合成情况，利用实时荧光定量PCR分析了软骨相关的基因表达情况（图3）。结果发现，软骨细胞在M孔支架上有效地维持了软骨细胞的原始表型，调控了基因表达，并形成了透明软骨基质。
图3. 软骨基质的主要蛋白表达和基因表达分析
该工作是研究团队前期一系列仿生水凝胶工作以及飞秒激光面投影纳米光刻技术发展（Small 2023, 2300311；Adv. Funct. Mater. 2023, 2300293；ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 26472-26483；Nano Lett. 2022, 2, 9823-9830；Nano Lett. 2021,21, 3915-3921）的拓展与深入。相关研究工作得到中国科学院国际伙伴计划、科技部纳米科技重点专项、国家自然科学面上基金等项目的大力支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202400849