Cartilage lacuna-biomimetic hydrogel microspheres endowed with integrated biological signal boost endogenous articular cartilage regeneration

软骨发生 再生(生物学) 软骨 生长因子 细胞外基质 生物医学工程 材料科学 脚手架 化学 解剖 细胞生物学 医学 生物 生物化学 受体
作者
Hao Li,Tianyuan Zhao,Zhiguo Yuan,Tianze Gao,Yongkang Yang,Runmeng Li,Qinyu Tian,Peifu Tang,Quanyi Guo,Licheng Zhang
出处
期刊:Bioactive Materials [Elsevier BV]
卷期号:41: 61-82 被引量:27
标识
DOI:10.1016/j.bioactmat.2024.06.037
摘要

Despite numerous studies on chondrogenesis, the repair of cartilage-particularly the reconstruction of cartilage lacunae through an all-in-one advanced drug delivery system remains limited. In this study, we developed a cartilage lacuna-like hydrogel microsphere system endowed with integrated biological signals, enabling sequential immunomodulation and endogenous articular cartilage regeneration. We first integrated the chondrogenic growth factor transforming growth factor-β3 (TGF-β3) into mesoporous silica nanoparticles (MSNs). Then, TGF-β3@MSNs and insulin-like growth factor 1 (IGF-1) were encapsulated within microspheres made of polydopamine (pDA). In the final step, growth factor-loaded MSN@pDA and a chitosan (CS) hydrogel containing platelet-derived growth factor-BB (PDGF-BB) were blended to produce growth factors loaded composite microspheres (GFs@μS) using microfluidic technology. The presence of pDA reduced the initial acute inflammatory response, and the early, robust release of PDGF-BB aided in attracting endogenous stem cells. Over the subsequent weeks, the continuous release of IGF-1 and TGF-β3 amplified chondrogenesis and matrix formation. μS were incorporated into an acellular cartilage extracellular matrix (ACECM) and combined with a polydopamine-modified polycaprolactone (PCL) structure to produce a tissue-engineered scaffold that mimicked the structure of the cartilage lacunae evenly distributed in the cartilage matrix, resulting in enhanced cartilage repair and patellar cartilage protection. This research provides a strategic pathway for optimizing growth factor delivery and ensuring prolonged microenvironmental remodeling, leading to efficient articular cartilage regeneration.
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