超越玻尿酸！华南理工大学，最新Nature大子刊：仿生“关节”润滑剂

仿生润滑剂：润滑、抗炎、护软骨一步到位

关节炎是一种常见的退行性关节疾病，其发生发展与关节软骨磨损、润滑功能下降及持续性炎症密切相关。正常情况下，关节软骨表面覆盖着由透明质酸、润滑素和脂质共同组成的天然润滑层，能够有效降低关节运动时的摩擦。然而，随着骨关节炎的发展，这一润滑结构逐渐遭到破坏，导致软骨磨损加剧，并进一步诱发炎症反应，形成恶性循环。目前，临床常用的透明质酸关节腔注射虽然能够在一定程度上改善润滑，但仍存在容易被关节液稀释、软骨表面结合能力不足以及作用时间有限等问题。因此，如何构建兼具持久润滑、抗炎和软骨保护功能的新型材料，成为骨关节炎治疗领域的重要研究方向。

近日，华南理工大学边黎明教授、赵鹏超教授受天然关节润滑系统启发，开发了一种具有软骨结合能力的仿生聚两性离子凝聚体（pZCO）。该材料不仅能够在软骨表面形成稳定的低摩擦润滑层，还可同时负载抗炎药物和间充质干细胞，实现持续药物释放及细胞保护。在大鼠和小型猪骨关节炎模型中，该体系表现出优于临床透明质酸润滑剂的软骨保护和抗炎效果，为骨关节炎的综合治疗提供了新的材料设计思路。相关成果以“Cartilage-binding coacervate with therapeutic payload delivery and biomimetic lubrication alleviates osteoarthritis by reducing joint friction and inflammation”为题发表在《Nature Biomedical Engineering》上，Sirong Chen和Tianshen Jiang为共同第一作者。

健康关节为什么能够长期保持低摩擦？关键在于软骨表面精密的天然润滑结构。如图1a所示，其中脂质分子通过高度水合的两性离子结构降低摩擦，而透明质酸和润滑素则与软骨基质蛋白结合，帮助润滑层稳定附着在软骨表面。受此启发，研究团队设计了聚两性离子凝聚体，利用聚合物链上的带电基团模拟天然润滑结构，同时通过与软骨基质蛋白的相互作用实现稳定结合（图1b）。与传统水溶性润滑剂不同，这种凝聚体具有流动性，却不会轻易与周围关节液混合。因此，注射后能够顺着受损软骨表面的细微裂隙铺展并填充缺陷，同时形成稳定的水合润滑界面（图1c）。更重要的是，这一体系还能充当药物和干细胞的递送载体，将机械润滑与生物治疗结合起来（图1d）。

图 1：受天然关节润滑层启发设计的聚两性离子凝聚体及其在骨关节炎润滑、药物递送和干细胞治疗中的作用示意图。

为了获得这种特殊材料，研究人员首先利用可逆加成-断裂链转移聚合技术，合成了聚合度分别为40和80的两性离子聚合物（图2a、b）。随后，通过液-液相分离，使聚合物在水中自发形成富含水分的凝聚体液滴。其中，pZCO40表现出更优异的流动性，液滴能够快速融合，并可通过注射针头顺利挤出（图2c、d）。荧光漂白恢复实验进一步证实了其内部具有良好的分子运动能力（图2e–g）。除了流动性，材料还必须经受复杂关节环境的考验。研究发现，pZCO在pH 5.0–9.0以及0.25–1 M NaCl条件下均能保持至少7天的稳定性，但当NaCl浓度升高至2 M时，凝聚体会出现部分溶解（图2h–k）。进一步的拉曼分析表明，聚合物链之间的静电作用和偶极相互作用，是维持凝聚体结构稳定的重要原因（图2l–n）。这种既能流动又不易被稀释的特性，为其长期附着于关节软骨表面创造了条件。

图 2：聚两性离子凝聚体的制备、液-液相分离、流动性及其在不同pH和盐浓度条件下的稳定性表征。

那么，这种材料究竟能在多大程度上降低关节摩擦？研究团队利用猪软骨构建摩擦测试体系，并分别考察正常软骨和模拟骨关节炎软骨的润滑表现（图3a）。结果显示，相较于磷酸盐缓冲液和临床透明质酸，pZCO40均能显著降低软骨表面摩擦（图3b、c），其摩擦系数可达到0.073 ± 0.0076。这主要得益于两性离子基团强大的水合能力，能够在软骨表面形成稳定的水合层，从而减少直接接触和磨损。进一步研究发现，pZCO40在关节液中的表面张力仅为0.61 mN/m，使其能够有效渗入软骨表面的微小缺陷（图3d–h）。与此同时，该材料与软骨基质中纤维连接蛋白的结合常数达到2.95 × 10⁵，超过透明质酸的100倍（图3i–l）。这种较强的界面结合有助于提高润滑层在关节运动过程中的稳定性。动物活体成像进一步证实，pZCO在关节腔内的荧光信号可持续检测超过14天，而透明质酸的滞留时间明显更短（图3m–p）。

图 3：聚两性离子凝聚体在软骨表面的润滑性能、微缺陷渗透能力、纤维连接蛋白结合能力及关节腔内滞留表现。

如果说稳定润滑解决的是软骨磨损问题，那么如何减轻炎症、促进软骨修复，则是下一步需要解决的关键。为此，研究团队尝试将间充质干细胞封装在pZCO内部（图4a）。结果显示，相较于传统聚电解质复合凝聚体，pZCO表现出更好的细胞相容性。经过5天三维培养后，封装干细胞的存活率仍达到95.93%，并能够持续分泌TGF-β1、IGF-1、IL-10和IL-4等与组织修复及免疫调节相关的因子（图4b–e）。在大鼠关节腔内注射3天后，pZCO负载干细胞的存活率达到77.86%，高于透明质酸载体组的68.41%（图4f–h）。除了保护干细胞，pZCO还能负载抗炎药物。研究人员以双氯芬酸钠和地塞米松磷酸钠为模型药物，发现两者均可封装于凝聚体中，其中双氯芬酸钠的包封率达到79.45%，并可实现超过14天的持续释放（图4i–k）。更重要的是，药物与干细胞联合递送后，能够有效抑制巨噬细胞炎症反应。单细胞RNA测序结果表明，该体系减少了促炎性M1样巨噬细胞比例，并促进M2c样修复相关细胞群形成，同时上调软骨修复相关基因表达（图4l–s），表明材料能够从细胞层面改善炎症微环境。

图 4：凝聚体对间充质干细胞存活和旁分泌功能的保护、抗炎药物的持续释放及巨噬细胞炎症调节作用。

在完成材料和细胞实验后，研究团队进一步建立大鼠骨关节炎模型，检验其实际治疗效果。如图5a所示，研究人员通过手术诱导骨关节炎，并每两周进行一次关节腔注射。经过6周治疗，显微CT结果显示，与透明质酸治疗相比，pZCO能够有效减少骨赘形成，改善软骨下骨结构；同时负载干细胞和药物的pZCO-MSCs-DS组表现出更明显的保护效果（图5b–d）。组织学分析进一步证实了这一发现。与对照组相比，pZCO治疗后的关节软骨保留了更多糖胺聚糖及聚集蛋白聚糖，表明软骨细胞外基质得到更有效的保护（图5e、f、h、i）。与此同时，多重免疫组织化学检测发现，联合治疗组中MMP-13、X型胶原等与软骨基质降解及软骨细胞肥大相关的标志物明显减少（图5g、j）。这些结果说明，pZCO不仅能够减轻摩擦，还能够延缓软骨结构的进一步破坏。

图 5：聚两性离子凝聚体在大鼠骨关节炎模型中的治疗效果，包括骨赘形成、软骨基质保护及炎症和退化相关标志物分析。

为了进一步揭示其作用机制，研究团队结合单细胞RNA测序和空间转录组技术，对治疗后的关节组织进行深入分析（图6a–d）。研究发现，相比透明质酸载体，pZCO能够更有效地维持移植干细胞在关节内的存在，并增强Sox9等软骨分化相关基因的表达。细胞状态轨迹分析提示，部分移植干细胞具有向修复性软骨细胞分化的趋势（图6e–h）。与此同时，治疗组软骨细胞中Acan、Col2a1等细胞外基质合成相关基因表达增加，并伴随修复性软骨细胞富集及细胞间通讯增强（图6i–l）。空间转录组分析进一步显示，修复相关细胞主要分布于关节软骨表面，Cilp、Cilp2及多种软骨基质基因表达上调（图6m–p）。功能富集分析表明，这些变化与软骨发育、软骨细胞分化及细胞外基质组织密切相关（图6q），从分子层面支持了材料的软骨保护作用。

图 6：基于单细胞RNA测序和空间转录组分析揭示凝聚体促进软骨修复、调节免疫微环境及增强细胞间通讯的作用机制。

为了验证这一策略在更大动物模型中的有效性，研究人员进一步开展了巴马小型猪骨关节炎实验（图7a）。经过6周治疗，pZCO-MSCs-DS组的关节软骨表面仍保持较好的完整性，而透明质酸载体组出现了更明显的软骨侵蚀（图7b）。与此同时，关节液检测显示，pZCO联合治疗降低了促炎因子IL-1β水平，并提高了抗炎因子IL-10水平（图7c）。磁共振成像及显微CT分析进一步表明，pZCO治疗能够减轻软骨基质损伤，并更好地维持软骨下骨结构（图7d–i）。组织染色结果也显示，治疗组保留了更多软骨基质成分，II型胶原表达高于透明质酸载体组（图7j–l）。此外，滑膜组织炎症程度及TNF表达水平明显下降（图7m–o）。这些结果表明，该体系在小型猪模型中同样能够实现软骨保护与炎症抑制。

图 7：聚两性离子凝聚体在小型猪骨关节炎模型中的治疗效果，包括软骨形态、磁共振成像、骨结构、软骨基质及滑膜炎症分析。

小结

总体而言，这项研究通过模拟天然关节润滑层，将持久润滑、药物缓释和干细胞递送整合到同一种聚两性离子凝聚体材料中，实现了对骨关节炎机械磨损与炎症微环境的协同干预。与传统透明质酸润滑剂相比，该材料在界面结合、抗稀释和治疗载荷递送方面展现出明显优势。不过，目前研究仍处于动物实验阶段，治疗过程中仍需每两周注射一次，距离长期有效的单次注射治疗尚有一定距离。未来，通过进一步延长作用时间、简化材料组成并开展长期安全性验证，这类仿生凝聚体有望为骨关节炎治疗提供新的技术路径。