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为解决传统分层梯度支架易分层、难以有效修复骨软骨缺损的问题，研究人员开发了具有连续磁 - 机械和多种功能金属元素梯度的水凝胶。体内外实验表明该水凝胶能促进骨软骨再生，为骨软骨修复提供了新选择。
在人体的关节中，膝关节的关节软骨起着至关重要的作用，它是一种复杂的多层结构组织，包含软骨、钙化区和软骨下骨。然而，由于软骨缺乏血管，自我修复能力有限，一旦受伤或发生炎症，愈合十分困难。若损伤进一步发展，累及软骨下骨，形成全层软骨缺损，修复更是难上加难。传统的仿生多层三维（3D）支架虽旨在模仿天然骨软骨组织的结构来修复软骨缺损，但在实际应用中却面临诸多挑战。例如，制造高度仿生的支架技术难度大，成本高且难以规模化生产；而且现有分层支架存在界面连接问题，不同层之间机械性能差异大，容易导致应力突变和分层失败，影响修复效果。此外，目前的连续梯度支架也存在诸如仿生成分单一等问题，难以完全模拟天然组织的连续生化梯度。为了解决这些棘手的问题，北航的研究人员展开了深入研究。
研究人员开发了一种基于磁场（MF）诱导和离子配位原理的连续磁 - 机械梯度水凝胶，该水凝胶具有按需分布的 Mn2+/Mg 掺杂羟基磷灰石 @Fe3O4（MgHA@Fe3O4），多种金属元素具有协同效应。研究结果显示，这种水凝胶在促进软骨生成、软骨下骨生成以及血管因子表达方面具有显著效果。与均匀水凝胶和分层梯度水凝胶相比，它在修复全层骨软骨缺损方面表现更优，其修复效果可能与对 Yes 相关蛋白 1（YAP1）表达的特异性调节有关。而且，当这种水凝胶与外部梯度磁场结合时，修复效果更为出色。该研究成果发表在《Bioactive Materials》上，为骨软骨缺损的修复提供了新的方向和策略，有望推动骨软骨组织工程领域的发展。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先通过化学合成法制备了 Fe3O4纳米颗粒（NPs）、MgHA@Fe3O4以及接枝 γ -（甲基丙烯酰氧基）丙基三甲氧基硅烷（MPS）的 FMHM；采用磁场诱导 FMHM 在聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）/ 海藻酸钠（SA）预聚物溶液中梯度分布，再经热固化和二次交联制备水凝胶；利用透射电子显微镜（TEM）、能量色散 X 射线光谱（EDS）等多种表征手段对材料进行分析；通过细胞实验（如细胞培养、细胞相容性检测、细胞分化实验等）和动物实验（建立大鼠骨软骨缺损模型）评估水凝胶的性能。
下面来看具体的研究结果：
- FMHM 的表征：通过多种测试手段证明成功制备了 FMHM，其具有良好的磁性，适合作为磁场诱导梯度支架的响应介质。
- CGGel 的梯度表征：成功制备出具有明显梯度多孔结构的连续梯度水凝胶（CGGel），元素 Fe 和 Mn 呈现反向梯度分布，FMHM 的梯度分布赋予了 CGGel 磁性和元素梯度，且其模量从顶层到底层逐渐增加。
- 不同水凝胶的比较表征：与均匀水凝胶（UGel）和分层梯度水凝胶（HGGel）相比，CGGel 具有更明显的连续梯度结构和机械性能，能有效解决传统分层梯度支架的应力不连续和突变问题。
- 水凝胶成分的生物功能评价：Mn2+可促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）向软骨分化，Fe3O4 NPs 和 MgHA 分别有助于血管生成相关因子的表达和 BMSCs 的成骨分化。
- 水凝胶对 BMSCs 软骨 / 成骨分化的影响：HGGel 和 CGGel 能显著促进 BMSCs 的软骨和成骨分化，磁场刺激可进一步增强其效果，且 YAP1 在其中起到重要的调节作用。
- 体内骨软骨再生疗效评价：CGGel 在体内能有效促进骨软骨再生，与 UGel 和 HGGel 相比具有明显优势，结合梯度磁场时效果更佳，通过多种检测方法均证实了其良好的修复效果。
在讨论部分，研究人员指出，这种连续梯度水凝胶模拟了天然骨软骨的结构和成分梯度，具有多种优势。其连续的机械梯度可调节机械敏感因子 YAP1 的表达，促进软骨或成骨分化；Mn2+和 MgHA 的梯度变化实现了多组分梯度，增强了修复潜力；梯度多孔结构有利于细胞浸润和血管生成；磁性梯度不仅能加速组织修复，还为 MRI 检测提供了可能。然而，将该水凝胶转化为临床应用仍面临挑战，如生物安全性、与相邻组织的整合以及降解速率等问题。未来需要进一步研究精确调控生物功能成分的分布，开展更多的生物相容性测试和长期的临床前试验，确保其安全有效，并加强跨学科合作，推动其临床转化。
综上所述，该研究成功开发了一种新型连续机械 - 磁性梯度水凝胶，在骨软骨再生方面展现出巨大潜力。其独特的设计和良好的性能为解决骨软骨缺损修复难题提供了新的思路和方法，尽管临床应用还面临挑战，但研究成果为后续研究和应用奠定了坚实基础，有望为骨软骨损伤患者带来新的治疗希望。
