中南大学湘雅二院AFM：甲基丙烯酸化丝素蛋白水凝胶，成功助力仿生气管构筑，突破气管修复难题

气管损伤常由肿瘤、外伤或先天畸形引发，当切除长度超过5厘米时，传统端端吻合术因张力过大极易失败。术后气管狭窄更是导致呼吸困难的主要并发症。尽管人工气管移植被视为解决方案，但免疫排斥和缺乏理想替代材料仍是临床痛点。脱细胞基质支架虽具潜力，其细胞存活率不足60%且无法独立促进软骨再生，亟需创新策略突破瓶颈。

中南大学湘雅二院李仕晟副教授和浙江省农业科学院Yang Lei合作受气管三层结构与软骨多节段特性启发，成功开发多层仿生气管支架（Sd@d-ECM/BMSCs/SilMA）。该支架以甲基丙烯酸化丝素蛋白（SilMA）水凝胶为外层，表面微槽结构引导骨髓间充质干细胞（BMSCs）定向生长；中层BMSCs在脱细胞软骨基质（d-ECM）提供的微环境支撑下，无需诱导剂即可分化为软骨；内层d-ECM支架提供力学支持。兔模型实验证实，该支架显著促进软骨再生，降低狭窄率并改善呼吸功能。相关论文以“Biomimetic Microgrooved Methacrylated Silk Fibroin Cartilage Scaffold for Tracheal Injury Repair ”为题，发表在Advanced Functional Materials 上。

仿生设计的科学实践

图1揭示支架核心机制：通过光掩模法在SilMA水凝胶表面构建微槽（20/40/60μm间距），引导BMSCs定向排列。脱细胞猪气管软骨（图2A）经去垢剂-酶处理，DNA含量下降98%（图2E），细胞核完全清除（图2B黑箭头），同时保留94.6%的胶原（图2F）及部分糖胺聚糖（图2C）。BMSCs经贴壁筛选后高表达CD44/CD90（图2D），排除造血细胞污染。

图1 仿生支架Sd@d-ECM/BMSCs/SilMA修复兔气管缺损示意图。通过光掩模法构建微槽结构SilMA水凝胶，引导兔BMSCs定向生长，再复合脱细胞气管软骨支架植入缺损区。BMSCs在体内分化为软骨细胞，促进功能性修复。

图2 脱细胞软骨支架与BMSCs表征。（A）猪气管软骨脱细胞流程；（B）脱细胞前后扫描电镜及H&E、番红O、甲苯胺蓝、Masson三色染色结果；（C）BMSCs贴壁法提取流程；（D）BMSCs的CD44、CD90、CD34免疫荧光；（E）脱细胞前后DNA含量定量；（F）胶原半定量分析；（G）糖胺聚糖（GAG）灰度值统计。红箭头：细胞核；黑箭头：脱核区域。

微槽优化与细胞调控

图3显示15%浓度SilMA水凝胶具有最佳溶胀率与压缩模量（图3C-D），其储能模量（G'）高于损耗模量（G''）（图3E）。40μm沟槽间距的SilMA表面（图3G）使BMSCs排列最规整，超80%细胞取向角度≤30°（图4C），增殖能力较平面组提升2倍（图4D-E）。活死染色证实微槽结构显著提升细胞存活率（图4B）。

图3 支架构建与表征。（A）光掩模法制备微槽SilMA膜；（B）不同浓度SilMA前体溶液在紫光下的溶胶-凝胶过程；（C）溶胀曲线；（D）压缩曲线；（E）流变时间扫描；（F）振荡应变分析；（G）15% SilMA水凝胶表面微槽电镜图（20/40/60μm）；（H）仿生气管宏观视图。

图4 不同微槽间距SilMA对BMSCs的相容性。（A）细胞骨架（绿色）/细胞核（蓝色）荧光染色；（B）活死染色（绿：活细胞；红：死细胞）；（C）细胞排列角度统计；（D-E）CCK8增殖检测。

免诱导软骨分化

将BMSCs接种于微槽SilMA膜并复合d-ECM支架后（图5A），40μm组软骨标志物Sox9、ACAN、Col2A1表达量达峰值（图5D-F），且无纤维化（Col1A1）或骨化（Col10A1）趋势（图5G-H）。免疫荧光显示COL II与ACAN均匀表达（图5B-C），证实d-ECM与微槽协同诱导BMSCs分化为成熟软骨细胞。

图5 BMSCs成软骨潜能验证。（A）体外软骨分化示意图；（B-C）COL II与ACAN免疫荧光；（D-H）软骨相关基因qRT-PCR分析。

动物模型验证疗效

图6显示，术后12周，传统缝合组（Ctrl）气管内肉芽增生致管腔闭塞（图6Bvi），而支架植入组（Sd@d-ECM/BMSCs/SilMA）气道通畅无塌陷（图6Bviii）。其呼吸频率（59.44次/分）接近假手术组（54.33次/分）（图6D），显著低于对照组（118.7次/分）。组织学证实（图7A）：实验组新生软骨富含糖胺聚糖和COL II，结构完整；基因检测显示Sox9、ACAN、Col2A1表达与天然软骨无差异（图7B-D），且无钙化或纤维化迹象（图7E-F）。

图6 支架促进兔气道功能恢复。（A）手术方案示意图；（B）术后4/12周支气管镜观察；（C）术后12周气管宏观视图（i-iv：外表面；v-viii：内表面）；（D）呼吸频率统计。白箭头：修复位点。

图7 支架促进软骨再生。（A）H&E、番红O、Masson及COL II免疫组化染色；（B-F）软骨基因表达分析。

该支架突破传统气管修复瓶颈，三层协同机制实现免诱导软骨再生。研究者计划拓展大动物模型验证长期安全性，并探索BMSCs与支架的信号交互机制，为临床转化铺平道路。这种设计适合任何尺寸气管缺损的个性化修复，未来有望为患者提供无需免疫抑制的再生疗法。