多孔支架已被廣泛應(yīng)用于軟骨組織的再生。然而，人們往往很難理解支架材料的微妙層次結(jié)構(gòu)如何影響再生過程。石墨烯材料是堅(jiān)固和生物兼容的多孔結(jié)構(gòu)的通用構(gòu)建塊，使研究組織再生的結(jié)構(gòu)線索成為可能，否則難以確定。在這里，我們使用具有穩(wěn)定和可調(diào)結(jié)構(gòu)的石墨烯水凝膠作為模型支架，以檢測多孔結(jié)構(gòu)對支架上軟骨細(xì)胞植入相關(guān)的基質(zhì)重塑的影響。我們觀察到大量加速但平衡的軟骨重建與軟骨細(xì)胞向石墨烯支架內(nèi)的生長相關(guān)，表面有一個開放的孔結(jié)構(gòu)。重要的是，這種增強(qiáng)的重塑選擇性地促進(jìn)了蛋白多糖聚集素上的II型膠原纖維的表達(dá)，從而清楚地表明，當(dāng)軟骨細(xì)胞遷移到支架中時，它們保持穩(wěn)定的表型，同時為軟骨修復(fù)的支架設(shè)計(jì)提供了新的見解。
圖1. GEH和干腳手架的一般圖片和示意圖。（a） GEH和干燥腳手架的一般圖片；（b） GEH支架的冷凍SEM圖像，比例尺：50和10μm；（c）壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和（d）在生理鹽水中加載和卸載后GEH和干支架的多周期壓縮特性；（e） GEH支架在生理鹽水中反復(fù)壓縮后能保持彈性和原有結(jié)構(gòu)；（f）GEH支架的冷凍SEM圖像和干燥支架的SEM圖像。GEH支架顯示出互連孔結(jié)構(gòu)、開放孔結(jié)構(gòu)、大表面積和中等氧含量。水凝膠支架比干支架能夠吸附更多的蛋白質(zhì)。與GEH的關(guān)鍵區(qū)別在于，冷凍干燥后，形成GEH支架大孔結(jié)構(gòu)的石墨烯納米片之間的水消失了，而原本分散在水中的石墨烯納片塌陷，導(dǎo)致大孔壁上的孔結(jié)構(gòu)更加封閉。再水合后，水只能進(jìn)入大孔，而不能進(jìn)入坍塌的石墨烯納米片。比例尺：1μm。
圖2. 軟骨細(xì)胞在GEH和干支架上的粘附、活力和增殖。（a） 接種后1天和8天，細(xì)胞粘附在支架表面的SEM圖像，比例尺：10μm；（b）活/死雙染色，在GEH和干支架上接種細(xì)胞后1和8天。活細(xì)胞的代表性圖像被染成綠色熒光（死細(xì)胞被染成紅色）。注意，接種在GEH和干支架上的細(xì)胞沒有顯示出明顯的差異，表明兩種支架的無毒性，比例尺：200μm；（c）體外軟骨形成的基因表達(dá)分析。在培養(yǎng)皿和GEH和干支架上孵育7天的軟骨細(xì)胞的軟骨標(biāo)志物的實(shí)時PCR分析。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。（n=3）（*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001，***P<0.0001）。
圖3. 體外軟骨基質(zhì)重塑的基因表達(dá)分析。實(shí)時PCR分析在培養(yǎng)皿和GEH和干支架上培養(yǎng)7天的軟骨細(xì)胞表達(dá)的MMPs和抑制劑。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。（n=3）（*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001，***P<0.0001）。
圖4：植入8周后，軟骨細(xì)胞接種的GEH和干支架的（a–h）甲苯胺藍(lán)和（i–q）紅花紅O/快綠組織學(xué)染色，無細(xì)胞支架作為對照（比例尺：50μm）。（e–h）分別對應(yīng)于a–d中方框區(qū)域的高放大率圖像。（m–q）分別對應(yīng)于i–l中方框區(qū)域的高放大率圖像。（r） 植入8周后接種軟骨細(xì)胞的GEH和干支架的II型膠原、聚集蛋白聚糖和SOX-9的免疫熒光染色。比例尺：50μm。
相關(guān)研究成果由墨爾本大學(xué)Shaohua Wu和上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院Jiayu Lu等人2022年發(fā)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。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
