2024年3月11日，北京大学第三医院运动医学科江东教授联合浙江大学机械工程学院尹俊研究员，在生物材料领域顶刊Bioactive Materials（生物活性材料）（2022 IF=18.9）上以Article形式在线发表了题为“Functional meniscus reconstruction with biological and biomechanical heterogeneities through topological self-induction of stem cells”（支架拓扑微结构介导的干细胞自诱导实现具有生物学及生物力学异质性的功能性半月板重建）的研究成果。

半月板损伤是最常见的膝关节运动损伤。半月板白区无血供，损伤后愈合困难，需行半月板切除术，但切除可增加骨性关节炎发生风险。同种异体半月板移植物来源有限。半月板假体由于血管长入及形态匹配等问题导致其长期疗效欠佳。因此，组织工程半月板（tissue engineering meniscus, TEM）的应用是促进半月板修复及再生极具前景的治疗方式。

半月板具有重要的生理学功能，包括吸收震荡、传递负荷及稳定膝关节等。这些生理功能的实现很大程度上取决于半月板生物化学异质性及生物力学异质性的特点。然而，目前的TEM往往由于无法重建天然半月板的梯度渐变异质性结构，从而难以实现其功能性重建，因此无法防止关节软骨进一步的退行性变。

本研究基于微观拓扑结构对干细胞分化的调控作用，根据天然半月板胶原分布及纤维走行，通过双极温控3D打印系统制备了具有特殊的梯度菱形微孔的组织工程半月板支架（TEM with a unique gradient-sized diamond-pored microstructure, GSDP-TEM）。为了兼顾力学及细胞相容性需求，本研究选用高分子量的聚己内酯（poly(ε-caprolactone), PCL）进行分子蚀刻后作为TEM制备材料。生物化学方面，内小外大的渐变微孔在生长因子的协同作用下诱导了间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）实现空间特异性异质性分化，进一步实现细胞外基质（extracellular matrix, ECM）由内向外的梯度渐变沉积。生物力学方面，菱形微孔的设计使得GSDP-TEM具有良好的异质性抗拉性能以及与天然半月板仿生的负荷传递能力。植入兔膝关节后，GSDP-TEM实现了体内异质性半月板再生，并体现出了良好的关节软骨保护能力。转录组学测序数据提示，PI3K-AKT及TGF-β信号通路在支架拓扑微结构介导的MSCs空间异质性分化中起到了重要作用。本研究为半月板的生物化学及生物力学异质性的双相重建提供了高效、易行的构建策略，拓扑微结构介导的力学及生物学效应可推广应用至人体多种承力异质性组织的工程化构建，具有良好的临床转化潜力。

该论文由北医三院运动医学科研究团队联合浙江大学及新加坡南洋理工大学完成，北医三院运动医学科博士生杜明泽、南洋理工大学博士后刘康泽及浙江大学博士生赖慧楠为该论文的共同第一作者。北医三院运动医学科江东教授及浙大机械工程学院尹俊研究员为该论文的共同通讯作者。该研究成果得到国家自然科学基金(82072428)和北京市自然科学基金(7212132)等项目资助。