墨尔本大学Dan Li和上海交通大学附属第六人民医院Jiayu Lu--石墨烯水凝胶作为软骨再生多孔支架

多孔支架已被广泛应用于软骨组织的再生。然而，人们往往很难理解支架材料的微妙层次结构如何影响再生过程。石墨烯材料是坚固和生物兼容的多孔结构的通用构建块，使研究组织再生的结构线索成为可能，否则难以确定。在这里，我们使用具有稳定和可调结构的石墨烯水凝胶作为模型支架，以检测多孔结构对支架上软骨细胞植入相关的基质重塑的影响。我们观察到大量加速但平衡的软骨重建与软骨细胞向石墨烯支架内的生长相关，表面有一个开放的孔结构。重要的是，这种增强的重塑选择性地促进了蛋白多糖聚集素上的II型胶原纤维的表达，从而清楚地表明，当软骨细胞迁移到支架中时，它们保持稳定的表型，同时为软骨修复的支架设计提供了新的见解。

图1. GEH和干脚手架的一般图片和示意图。（a） GEH和干燥脚手架的一般图片；（b） GEH支架的冷冻SEM图像，比例尺：50和10μm；（c）压缩应力-应变曲线和（d）在生理盐水中加载和卸载后GEH和干支架的多周期压缩特性；（e） GEH支架在生理盐水中反复压缩后能保持弹性和原有结构；（f）GEH支架的冷冻SEM图像和干燥支架的SEM图像。GEH支架显示出互连孔结构、开放孔结构、大表面积和中等氧含量。水凝胶支架比干支架能够吸附更多的蛋白质。与GEH的关键区别在于，冷冻干燥后，形成GEH支架大孔结构的石墨烯纳米片之间的水消失了，而原本分散在水中的石墨烯纳片塌陷，导致大孔壁上的孔结构更加封闭。再水合后，水只能进入大孔，而不能进入坍塌的石墨烯纳米片。比例尺：1μm。

图2. 软骨细胞在GEH和干支架上的粘附、活力和增殖。（a） 接种后1天和8天，细胞粘附在支架表面的SEM图像，比例尺：10μm；（b）活/死双染色，在GEH和干支架上接种细胞后1和8天。活细胞的代表性图像被染成绿色荧光（死细胞被染成红色）。注意，接种在GEH和干支架上的细胞没有显示出明显的差异，表明两种支架的无毒性，比例尺：200μm；（c）体外软骨形成的基因表达分析。在培养皿和GEH和干支架上孵育7天的软骨细胞的软骨标志物的实时PCR分析。数据以平均值±标准差表示。（n=3）（*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001，***P<0.0001）。

图3. 体外软骨基质重塑的基因表达分析。实时PCR分析在培养皿和GEH和干支架上培养7天的软骨细胞表达的MMPs和抑制剂。数据以平均值±标准差表示。（n=3）（*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001，***P<0.0001）。

图4：植入8周后，软骨细胞接种的GEH和干支架的（a–h）甲苯胺蓝和（i–q）红花红O/快绿组织学染色，无细胞支架作为对照（比例尺：50μm）。（e–h）分别对应于a–d中方框区域的高放大率图像。（m–q）分别对应于i–l中方框区域的高放大率图像。（r） 植入8周后接种软骨细胞的GEH和干支架的II型胶原、聚集蛋白聚糖和SOX-9的免疫荧光染色。比例尺：50μm。

相关研究成果由墨尔本大学Dan Li和上海交通大学附属第六人民医院Jiayu Lu等人2022年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04137)上。原文：Graphene Hydrogel as a Porous Scaffold for Cartilage Regeneration。