生物材料常与种子细胞结合开展组织和器官修复研究,在组织再生医学领域具有广阔前景。在组织再生过程中,需要引导干细胞分化为理想的细胞类型,以促进功能性组织的恢复。在生物材料中通过引入特殊的生物或化学药物,可调控干细胞的生长和分化。本研究通过构建负载化学小分子或生物分子药物的可促进干细胞定向分化的组织工程水凝胶,分别用于提高干细胞的成骨、成软骨以及成血管分化表达,研究药物调控或促进干细胞分化的分子机制。本研究将构建的促干细胞定向分化的载药水凝胶应用于骨、软骨组织和高血管密度的海绵体组织的再生修复应用研究中。主要内容具体包括:（1）基于透明质酸和明胶的光交联水凝胶与细胞三维培养研究本研究通过化学改性天然高分子明胶和透明质酸,制备了可提供类细胞外基质（ECM）微环境的光交联水凝胶,具备与软组织相近的力学性能和生物可降解性能。细胞包裹在水凝胶基质培养存活率均大于90%,具有良好的细胞相容性。（2）主客体载药水凝胶诱导干细胞向软骨、成骨细胞分化与关节全层损伤修复的研究本研究采用载药主客体超分子构建负载干细胞分化诱导药物的水凝胶,分别调控干细胞向软骨、成骨细胞分化。通过体外药物释放实验研究主客体分子的药物缓释效果。探讨化学小分子药物对干细胞成骨、成软骨分化的基因、蛋白表达的影响及其内在信号分子机制。为模拟关节软骨-软骨下骨的复合单元结构,结合以上两种干细胞分化诱导水凝胶,制备了结合紧密、可促进干细胞相异性分化的双相水凝胶。在兔的骨关节全层损伤实验中,该双相水凝胶显示出促进软骨和下骨的同步修复的能力。（3）多层电荷自组装负载肝素的3D打印水凝胶支架促进干细胞成血管分化研究本研究采用3D打印和多层电荷自组装技术构建负载肝素分子的水凝胶支架。肝素可结合并稳定血管内皮生长因子,并保护其免于快速降解,从而促进血管形成相关的血管内皮细胞、血管平滑肌细胞的形成。体外和体内实验证实支架具有良好的生物相容性和组织相容性。在裸鼠体内植入实验中,肝素的负载显著提高周围组织的成血管相关基因和蛋白的表达水平,减少周围纤维化组织的产生,并形成更多新生血管。（4）负载肝素水凝胶支架结合干细胞用于阴茎海绵体结构再生和功能重建研究血管网络的快速再生对于阴茎海绵体组织修复至关重要,本研究通过慢病毒转染法构建缺氧诱导因子（HIF-1α）基因突变型肌源性干细胞,接种于负载肝素的水凝胶支架上,植入兔的阴茎海绵体缺损部位实现原位组织修复。支架与干细胞协同,显著促进了阴茎海绵体的结构形态、血管网络的再生,最终实现勃起和射精功能的修复,达到良好的生殖功能恢复效果。总而言之,本研究通过负载化学小分子或生物分子药物构建促进干细胞定向分化的组织工程水凝胶。通过体外细胞实验和动物体内实验,从基因、蛋白和分子水平研究载药水凝胶促进干细胞分化和组织修复中的作用。本研究为构建与干细胞协同作用的组织修复生物支架提供了新的方案和指导。