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  關(guān)節(jié)骨軟骨缺損在臨床中十分常見，但是軟骨組織自修復(fù)能力差，而且軟骨修復(fù) 不佳會導(dǎo)致軟骨下骨退行性疾病。因此，軟骨再生修復(fù)是目前臨床面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。水凝膠有與自然關(guān)節(jié)軟骨相似的結(jié)構(gòu)、高含水量，是軟骨組織修復(fù)的一種理想材料。糖胺聚糖，如硫酸軟骨素、透明質(zhì)酸等，是人體軟骨和其他組織細胞外基質(zhì)的重要組成成分，在調(diào)節(jié)細胞功能，包括細胞遷移和與細胞膜受體結(jié)合傳遞信號等方面，起著重要的作用。因此，聚多糖基水凝膠具有潛在的軟骨修復(fù)性能。但粘性聚多糖的分子鏈是負電性的，缺乏細胞粘附位點，常表現(xiàn)出較弱的細胞親和性，不利于細胞的粘附。因此，有必要開發(fā)一種新型的聚多糖基水凝膠，使其同時具有良好的力學(xué)性能以及良好的細胞/組織相容性，以便更好的用于軟骨組織修復(fù)與再生。

  針對傳統(tǒng)的粘多糖基水凝膠的力學(xué)性能差無法滿足軟骨再生的力學(xué)要求，且細胞親和性有限不易固定細胞的問題，西南交通大學(xué)魯雄教授課題組，通過在多巴胺(DA)聚合過程中加入CS，形成 PDA-CS 復(fù)合物，并將 PDA-CS 復(fù)合物分散在彈性高分子網(wǎng)絡(luò)中，交聯(lián)形成具有促進軟骨再生的、細胞親和性的，仿貽貝組織粘附性硫酸軟骨素（CS）水凝膠。該水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，PDA-CS 復(fù)合物能夠與高分子鏈發(fā)生多種非共價鍵相互作用，從而賦予水凝膠良好的韌性及可回復(fù)性。水凝膠中的 CS 組分能夠維持軟骨細胞的表型，誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細胞向軟骨分化；PDA 組分具有良好的細胞親和性與組織粘附性。當該水凝膠植入軟骨缺損處后，水凝膠形成了仿軟骨細胞外基質(zhì)的微環(huán)境，PDA不僅可以固定體液或血液中的內(nèi)源性生長因子，還可以固定血液中的干細胞；而 CS能夠誘導(dǎo)細 胞軟骨分化。體內(nèi)實驗證明該水凝膠能夠在無外源性生長因子的條件下，誘導(dǎo)軟骨組織的再生。

圖1仿貽貝組織粘附性硫酸軟骨素水凝膠的設(shè)計思路

（a）堿性氧化環(huán)境形成 PDA?CS 復(fù)合物。

（b）自由基聚合形成仿貽貝組織粘附性硫酸軟骨素水凝膠

（c）水凝膠植入軟骨缺損處。

（d）CS?PAM水凝膠不利于細胞粘附。

（e）PDA?CS?PAM 水凝膠中的PDA組分有利于生長因子的固定與細胞的粘附，從而使CS發(fā)揮其生物學(xué)功能。

圖2 分子動力學(xué)(MD)計算CS-PDA復(fù)合物

（a）CS初始模型

（b）CS-PDA復(fù)合物初始模型

（c） 單一CS，形成納米結(jié)構(gòu)為疏松結(jié)構(gòu)

（d）CS-PDA 復(fù)合物形成緊密的結(jié)構(gòu)，說明PDA與CS存在較強相互作用，能夠形成納米結(jié)構(gòu)。圖中，CS顯示為棍狀模型，PDA為球狀模型。

圖 3水凝膠力學(xué)性能

（a）（1）PDA-CS-PAM 水凝膠在壓縮后可回復(fù)；（2）CS-PAM 在壓縮后破損。

（b）PDA-CS-PAM 水凝膠的壓縮加載-卸載循環(huán)曲線。

（c-d）PAM， CS-PAM， PDA-PAM，以及PDA-CS-PAM水凝膠的壓縮曲線和壓縮強度。

（e）水凝膠的儲能模量（G’）。

（f） PDA-CS-PAM 水凝膠的損耗因子隨頻率變化。

圖4 水凝膠粘附性能

圖5軟骨細胞在水凝膠上的生物學(xué)行為

在培養(yǎng) 7 天后，粘附在（a）PAM, (b) CS-PAM，(c) PDA-PAM，(d) PDA-CS-PAM水凝膠表面的軟骨細胞的活死染色激光共聚 焦掃描圖片。

（e）軟骨細胞在不同水凝膠表面培養(yǎng) 3 天和 7 天后的增殖情況。

軟骨細胞在不同水凝膠表面培養(yǎng) 21 天后蛋白多糖（f）和 II 型膠原的表達量（g）

圖6 骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSC）在水凝膠上的生物學(xué)行為

在培養(yǎng) 7 天后，粘附在（a）PAM, (b) CS-PAM，(c) PDA-PAM，(d) CS-PDA-PAM 水凝膠表面的 BMSC 的活死染色激光共聚焦掃描圖片。

（e）BMSC 在不同水凝膠表面培養(yǎng) 3 天和 7 天后的增殖情況。

BMSC 在不同水凝膠表面培養(yǎng) 21天后蛋白多糖（f）和 II 型膠原的表達量（g）

圖 7 水凝膠體內(nèi)軟骨修復(fù)評價

（a）兔膝關(guān)節(jié)缺損手術(shù)模型。

（b）術(shù)后 3 個月取樣照片，分別為空白對照組， PAM 水 凝膠， CS-PAM 水凝膠， PDA-CS-PAM 水凝膠。

（c）各組軟骨缺損修復(fù)情況的 ICRS 評分

（d-g）各組術(shù)后 6 周的 H&E染色分析，（d）空白對照組，（e）PAM 水凝膠處理組，（f）CS-PAM 水凝膠處理組，（g）PDA-CS-PAM 水凝膠處理組

（h）各組軟骨缺損修復(fù)標本的組織學(xué) MODS 評分

  基于仿貽貝粘附機理，本研究制備了具有組織粘附性硫酸軟骨素水凝膠。通過 DA 在堿性含氧環(huán)境下的聚合形成 PDA-CS 復(fù)合物，將其摻入 PAM 網(wǎng)絡(luò)，形成 PDA-CS-PAM 水凝膠。當該水凝膠植入軟骨缺損處后，水凝膠形成了仿軟骨細胞外基質(zhì)的微環(huán)境，PDA 不僅可以固定體液或血液中的內(nèi)源性生長因子，還可以固定血液中的干細胞；而 CS 能夠誘導(dǎo)細胞軟骨分化。體內(nèi)實驗證明該 PDA-CS-PAM 水凝膠能夠在無外源性生長因子的條件下，誘導(dǎo)軟骨組織的再生�？傊� PDA-CS-PAM 水凝膠具有合適的力學(xué)性能、細胞粘附性和誘導(dǎo)軟骨再生功能，其中的 PDA 和 CS 協(xié)同創(chuàng)造無生長因子誘導(dǎo)軟骨再生的微環(huán)境，突破了粘多糖力學(xué)能差，缺少細胞粘附性的困難，是用于軟骨修復(fù)新型水凝膠的一大進步。

  相關(guān)成果以“Mussel-Inspired Tissue-Adhesive Hydrogel Based on the Polydopamine–Chondroitin Sulfate Complex for Growth-Factor-Free Cartilage Regeneration”為題在線發(fā)表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。論文的第一作者為韓璐博士。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目支持。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b05314