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背景介绍

透明软骨再生是当前临床面临的重大挑战。现有治疗手段如微骨折术通常诱导纤维软骨而非透明软骨，后者缺乏天然透明软骨的II型胶原富集基质和力学功能。转化生长因子β1（TGF-β1）是驱动骨髓间充质干细胞（BMSCs）透明软骨分化的关键细胞因子，但外源性TGF-β1半衰期短、在关节腔内快速降解，而内源性TGF-β1虽在软骨损伤后释放，却因缺乏高亲和力结合位点而生物利用度受限。因此，设计能捕获并长期动员缺损部位内源性TGF-β1的生物材料，是无需外源蛋白补充即可实现BMSCs介导的透明软骨再生的有前景策略。

研究思路

针对上述挑战，南京大学董磊教授、张峻峰教授与江苏省人民医院王瑞医生联合团队受硅藻生物硅化过程启发，以阳离子化明胶（aGel）为模板和催化剂，在温和条件下通过正硅酸四乙酯（TEOS）水解缩合，自组装合成了具有规整笼状结构的生物硅纳米笼。优化后的Si-aGel-200纳米笼（直径~21 nm，孔径~2.5×5.5 nm）对TGF-β1表现出高结合亲和力（Kd=5.445 μM），且优于TGF-β2/β3及炎症因子。团队进一步通过席夫碱反应将纳米笼整合入可注射水凝胶（Si-aGel水凝胶），赋予其可注射性、抗溶胀、自愈合和组织粘附性能。该水凝胶通过捕获内源性TGF-β1并激活p-Smad2/3信号，长期维持BMSCs透明软骨分化表型，在大鼠全层软骨缺损模型中实现了高质量的透明软骨再生。相关内容以 A biosilica nanocage-based injectable hydrogel to trap endogenous TGF-β1 for in-situ hyaline cartilage regeneration 发表在 Biomaterials！

图片解析

图1. 生物硅纳米笼合成与表征： (a) 胺化明胶（aGel）介导的生物硅化示意图；(b) TEM显示TEOS浓度从10 mM增至400 mM时，Si-aGel纳米结构从初级簇（~9 nm）演变为规整笼状（~15-27 nm）；(c) 粒径分布统计；(d) HR-TEM显示Si-aGel-200具有~2.5×5.5 nm互连孔道；(e) NLDFT孔径分布显示Si-aGel-200在2.5-5.1 nm宽分布；(f) ATR-FTIR显示1080 cm⁻¹（Si-O）、960 cm⁻¹（Si-OH）等硅特征峰；(g) Raman证实Si-Si和Si-H键；(h) XPS显示Si 2s和Si 2p峰；(i) TGA显示硅质量分数17.7%-21.5%。

图2. Si-aGel-200纳米笼对TGF-β1的结合： (a) MST测定解离常数（Kd），Si-aGel-200结合最强（Kd=5.445 μM）；(b-c) 斑点印迹和定量显示Si-aGel-100和200结合最高；(d) 结合呈剂量依赖性；(e) 选择性MST显示Si-aGel-200对TGF-β1（Kd=5.445 μM）优于TGF-β2（232 μM）和TGF-β3（557 μM）；(f) 斑点印迹验证选择性；(g) 对IL-1β和IL-6几乎无结合（Kd>1.6 mM）；(h) 斑点印迹确认无结合；(i) TGF-β1释放曲线显示12天近完全释放；(j) 结合机制示意（静电+氢键+纳米笼空间限域）。

图3. Si-aGel水凝胶制备与表征： (a-b) 席夫碱反应交联机制及凝胶化过程（<3 min）；(c) SEM及EDS mapping显示互连多孔网络及Si均匀分布；(d) 可通过31G针头注射；(e) 可塑造成任意形状（"NJU"、三角形等）；(f) 溶胀率<50%（aGel为84%）；(g) 自愈合演示；(h) 对猪软骨和手套的粘附性能；(i) 交替应变下G'/G''快速恢复；(j) 压缩模量Si-aGel-200达100 kPa（aGel约20 kPa）；(k) 应力松弛更快；(l) 溶血率<5%；(m) CCK-8显示Si-aGel-200无细胞毒性；(n) TGF-β1捕获效率达82.25%（aGel仅~10%）；(o) 在10% FBS和滑液中保持~76%捕获效率及7天持留。

图4. 体外透明软骨分化： (a-b) 免疫荧光显示Si-aGel-200组Col II（绿色）沉积最多，Col I（红色）最少；(c) qRT-PCR显示Sox9、Col2a1、Acan和Comp表达显著高于对照组；(d) 纤维化（Col1a1、Runx2）和肥大（Col10a1、Mmp13）基因表达被显著抑制；(e) 长期（21天）Col II/Col I免疫荧光显示Si-aGel-200+TGF-β1预处理组维持最强Col II沉积。

图5. 体内软骨缺损修复： (a) 大鼠全层软骨缺损模型示意；(b) 手术及水凝胶注射过程；(c) 大体观显示Si-aGel组4周缺损几乎被新生透明软骨覆盖，8周与周围组织良好整合；(d) Micro-CT 3D重建显示Si-aGel组软骨表面完整；(e-f) H&E和番红O/固绿染色显示Si-aGel组8周形成连续、组织良好的软骨层，厚度接近天然软骨；(g) 番红O放大图显示蛋白聚糖丰富沉积；(h-i) ICRS宏观和组织学评分Si-aGel组显著高于对照组。

图6. 体内透明软骨再生机制： (a-d) IHC显示Si-aGel组Col II和Aggrecan强阳性（接近Sham组），Col I和Col X几乎无表达，而对照组Col I和Col X强阳性；(e) H&E显示Si-aGel组第7天大量圆形细胞浸润并与水凝胶整合；(f) 免疫荧光显示TGF-β1（红色）和SOX9（绿色）在Si-aGel组缺损区共定位，信号随时间增强；(g) TGF-β1阳性面积定量；(h-i) p-Smad2/3染色显示Si-aGel组阳性细胞数显著多于aGel组，证实内源性TGF-β1信号通路激活。

结论

本研究受自然生物硅化启发，成功开发了基于生物硅纳米笼的可注射水凝胶Si-aGel，用于捕获内源性TGF-β1实现原位透明软骨再生。该策略无需外源生长因子或干细胞移植，仅通过纳米笼的物理限域和表面化学协同作用，即可在软骨缺损部位富集并缓释内源性TGF-β1，通过p-Smad2/3信号通路驱动BMSCs向透明软骨分化，同时抑制纤维化和肥大化。该可注射水凝胶兼具优异力学性能、组织粘附和微创递送特性，为透明软骨再生提供了一种安全、简便、高效的临床转化策略。

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