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骨关节炎（Osteoarthritis,OA）是最为常见的一种退行性关节致残疾病,主要症状表现为关节软骨的持续性降解,60岁以上的人口中,9.6%的男性和18.0%的女性具有OA症状,现已成为全球性流行疾病。OA现有治疗方式集中在缓解症状上,研发具备保护关节软骨甚至实现关节软骨再生的材料、药物或技术与方法是OA研究领域的核心追求。研究表明,关节软骨润滑性能下降直接影响软骨细胞代谢行为（甚至引起软骨细胞凋亡）,即软骨细胞合成基质代谢能力下降而分解基质代谢能力加强,进而诱发OA。随着软骨基质的流失,关节软骨润滑性能进一步下降,使软骨细胞合成与分解代谢之间进一步失衡,同时引发滑膜组织炎症,加速软骨基质流失和OA的恶化。因此,软骨润滑性能的降低是OA诱发源头,同时对OA病理发展起推动作用。基于润滑性能在OA中的角色,本文提出通过改善润滑性能实现软骨再生的设想,开展了以下研究:首先,基于天然关节软骨优异润滑性能的实现需要滑液分子协同进而在软骨表面结合形成润滑层的机理,从成份和结构上仿生设计出针对透明质酸和聚集蛋白聚糖协同作用的富含磺酸根的仿生关节滑液HPA（透明质酸接枝聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠）,以及针对透明质酸和磷脂协同作用富含磷酸胆碱的仿生关节滑液HPM（透明质酸接枝聚2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱）。利用核磁共振、红外光谱、凝胶渗透色谱、紫外光谱、原子力显微镜、Zeta电位、流变等手段研究了HPA和HPM的结构、抗酶降解性能等,随后利用软骨细胞及骨髓间充质干细胞微球模型研究了HPA和HPM的组织相容性及其对成软骨分化的影响。结果表明,基于滑液分子间协同作用而设计的仿生关节润滑分子HPA和HPM得以成功构建,且HPA和HPM侧链接枝率分别约为25%和31.2%,结构特征上体现出了相应“刷状”结构,分子量分别约为1.4×10~7Da和9.0×10~6 Da。与HA相比,HPA和HPM,具有优良的抗酶解性能,同浓度下未显著牺牲HA黏弹性,有效解决了目前合成型仿生关节滑液易酶解问题,同时表现出优异的组织相容性,但未显现促进骨髓间充质干细胞成软骨分化的性能。其次,从理论到实践系统地研究了所构建HPA和HPM组装结合到关节软骨表面进而形成润滑层的性能。利用石英晶体微天平、等温量热滴定、表面等离子共振以及分子动力学模拟等方式研究了HPA和HPM与软骨主要基质蛋白,即II型胶原蛋白和纤连蛋白的结合能力;利用荧光分子标记HPA、HPM以及激光共聚焦显微镜验证了HPA和HPM在体外关节滑液主要蛋白干扰下能否组装结合到关节软骨表面。结果表明,相比于HA,HPA和HPM对II型胶原蛋白和纤连蛋白表现出强亲和性,且这种强亲和主要来自于HPA、HPM与II型胶原蛋白和纤连蛋白之间的离子和疏水相互作用,足以支撑HPA和HPM在丰富的关节滑液蛋白干扰下选择性地与软骨基质蛋白组装结合,在关节软骨表面形成稳定润滑层。这些结果为后续研究HPA和HPM的润滑性能奠定了基础。紧接着,分别从宏观和分子水平两个层次对HPA和HPM的润滑性能和润滑机理进行了研究。宏观上,利用摩擦磨损试验机在往复运动模式下（接触区域持续变动）研究了人体OA模型关节软骨在HPA和HPM作用下的润滑性能;利用流变仪在旋转模式下（接触区域相对不变）研究了人体OA模型关节软骨在HPA和HPM作用下的润滑性能。分子水平上,基于HPA和HPM与II型胶原蛋白的强亲和性,利用原子力显微镜在液态下研究了II型胶原蛋白和HPA或HPM作用前后表面形貌变化;利用表面平衡力仪在原子级平整表面逐层构建起II型胶原蛋白和HPA或HPM的软骨表面仿生模型,进而在分子水平研究了HPA和HPM的润滑机理,并在此基础上,为开发性能更优越的仿生关节滑液做了进一步摸索。结果表明,宏观上,两种运动模式下,HPA和HPM均能有效降低人体OA模型关节软骨的摩擦系数,尤其是当HPA和HPM同时使用时,人体OA模型关节软骨的摩擦系数最低,甚至恢复至正常关节软骨水平;分子水平上,HPA和HPM展现出良好的水化润滑机理,有效降低了表面摩擦系数,同时提高了表面承载能力。至此,从宏观以及分子两个层次探索、证明了HPA和HPM润滑性能和润滑机理,从而为后续其能否促进软骨再生并治疗早期OA奠定基础。最后,鉴于HPA、HPM与软骨基质蛋白的高亲和性及其润滑性能,利用早期OA动物模型对HPA、HPM促软骨再生并治疗早期OA进行了体内评价研究。首先利用健康大鼠从关节组织到免疫相关组织研究了HPA和HPM关节腔内注射的体内安全性;然后利用早期OA模型大鼠首先研究了HPA、HPM关节腔内注射后的存留时间及其在关节滑液中和关节软骨上的定量分布;然后从组织学染色到软骨基质蛋白免疫组化染色研究了HPA和HPM对关节软骨的保护和促进关节软骨再生的功能。结果表明,HPA和HPM的关节腔内注射不影响正常关节软骨的结构和形态,并且不刺激滑膜产生明显的炎症反应;注射入关节腔内的HPA和HPM大部分结合在关节软骨表面,只有少量存在于关节滑液中,且HPA和HPM在大鼠关节腔内的存留时间长达31天,远远高于HA在关节腔内的存留时间,从而可以避免频繁的关节腔内注射;HPA和HPM,尤其是两者一起关节腔内注射入早期OA模型大鼠8周后,有效延缓了关节软骨的降解,从而缓解了OA的恶化;此外,由于结合在关节表面的仿生关节润滑分子有效恢复了软骨润滑性能,促进了软骨基质蛋白的分泌和累积,在大鼠层次达到了通过恢复关节软骨润滑性能,实现关节软骨的再生进而在早期治疗OA的目的。