近期，《Small》期刊以“Ball-Bearing-Inspired Polyampholyte-Modified Microspheres as Bio-Lubricants Attenuate Osteoarthritis”為題，發(fā)表上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院/上海市傷骨科研究所崔文國教授、足踝外科徐向陽主任與清華大學(xué)張洪玉副研究員團隊合作的最新成果。該研究基于軸承仿生構(gòu)建了超潤滑水凝膠微球，通過關(guān)節(jié)內(nèi)微創(chuàng)注射水凝膠微球，實現(xiàn)關(guān)節(jié)潤滑和局部緩慢釋藥，用于骨關(guān)節(jié)炎的治療。
《Small》期刊封面圖片
在工業(yè)機械制造領(lǐng)域，軸承發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它可以有效減少機械運轉(zhuǎn)中因過度摩擦帶來的能量損耗和機械部件磨損，從而提高機械運轉(zhuǎn)效率和使用壽命。其中球軸承通過將機械運行的滑動摩擦轉(zhuǎn)化成滾動摩擦，從而實現(xiàn)機械的高效、低摩擦運轉(zhuǎn)。鑒于滾珠和滑槽面的接觸面積很。E圓形接觸），滾珠在運行過程中的接觸部位具有極高的壓力（1-4Gpa）,極易引起滾珠破壞。因此滾珠與滑槽面接觸部位的潤滑對于維持滾珠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和球軸承長期高效低摩運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。受球軸承潤滑原理啟發(fā)，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院/上海市傷骨科研究所 崔文國教授、徐向陽主任和清華大學(xué)張洪玉副研究員開發(fā)了一種兼具超級潤滑和長效釋藥性能的新型高效生物潤滑劑，用于治療骨關(guān)節(jié)炎。
該團隊利用微流控技術(shù)和光化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，制備了高度分散、大小均一的可注射明膠基水凝膠微球，并通過一步仿生法表面接枝聚甲基磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯（pSBMA），開發(fā)了一種兼具超潤滑特性和緩釋載藥性能的新型高效生物潤滑劑。pSBMA聚合物刷一方面通過在兩性離子周圍形成強大的水合層，實現(xiàn)增強的水合潤滑特性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（抗降解）。另一方面聚合物表面涂層也提高了對裝載藥物（雙氯芬酸鈉）的緩釋性能。體外實驗表明該載藥超潤滑水凝膠微球具有良好的生物兼容性，可以顯著抑制軟骨細胞退變。將其注射到大鼠關(guān)節(jié)內(nèi)，2周注射一次，8周后有效降低骨贅形成和關(guān)節(jié)軟骨的磨損，抑制了骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。
圖1. 球軸承仿生超潤滑水凝膠微球的制備和應(yīng)用示意圖
與硬物質(zhì)相比，軟物質(zhì)（如水凝膠）可以減少相對運動表面間的摩擦，從而增強潤滑性能。水凝膠兼具固體和液體的雙重特性，適合用作生物潤滑劑和局部藥物遞送載體。與塊狀水凝膠相比，水凝膠微球在水溶液中具有更好的分散性，更大的比表面積和更快的響應(yīng)性，具有作為高效潤滑劑的巨大潛力。球軸承裝置中的滾珠是分散和大小均一的，這有助于減小摩擦。相反，滾珠的聚集會增加摩擦并削減球軸承的性能。同樣的，生物潤滑劑的潤滑效果在很大程度上受到顆粒性質(zhì)（例如尺寸和分散性）的影響，而顆粒的聚集會減弱其潤滑性能。基于微流控技術(shù)制作的水凝膠微球具有尺寸可控、高度分散和大小均一的特性，為制備高性能生物潤滑劑提供了一種很好的技術(shù)手段。
圖2. 超潤滑水凝膠微球的理化性質(zhì)表征
在本研究中，使用微流體技術(shù)制作了尺寸均勻的單分散微球（MGSs），然后將pSBMA刷接枝到MGS上，通過一步法形成超潤滑的MGS（MGS@DMA-SBMA）。體外研究表明，MGS@DMA-SBMA@DS具有優(yōu)異生物相容性，可以有效減少軟骨細胞的變性。通過內(nèi)側(cè)半月板不穩(wěn)（DMM）手術(shù)構(gòu)建大鼠骨關(guān)節(jié)炎模型，將載有雙氯芬酸鈉的超潤滑水凝膠微球2周一次注入大鼠關(guān)節(jié)腔，觀察其對大鼠骨關(guān)節(jié)炎的治療效果。研究結(jié)果顯示，載藥的超潤滑水凝膠微球可以明顯減少骨贅形成、抑制軟骨退變和磨損，可以明顯改善OA。
圖3.體內(nèi)大鼠骨關(guān)節(jié)炎模型評價.
該課題的完成得到上海市傷骨科研究所鄧廉夫教授的指導(dǎo)，林佳煒碩士，朱淵博士和王非博士的參與完成。該工作得到了國家重點研究開發(fā)項目、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
論文第一作者：楊接來、韓英
論文通訊作者：徐向陽、張洪玉、崔文國
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202070238
作者簡介：
崔文國，教授/博導(dǎo)，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院/上海市傷骨科研究所。主要基于轉(zhuǎn)化再生醫(yī)學(xué)材料，從事骨、關(guān)節(jié)等組織修復(fù)重建的研究。以第一/通訊作者發(fā)表SCI論文130多篇(IF>10的40余篇)，專利40多項，引用6800多次、H=43。任Mater Sci Eng:C和BMC Mater副主編，多本雜志的編委和客座主編。曾獲國家級青年人才計劃、主持科技部重點研發(fā)課題、國家自然科學(xué)基金重點項目、面上項目等，參與獲得上海市科技進步一等獎、教育部科學(xué)研究成果一等獎、二等獎等多次。任中華醫(yī)學(xué)會骨科基礎(chǔ)青年委員、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會青年委員等。（歡迎致力于組織修復(fù)重建的生物、材料、藥劑、化學(xué)等各交叉專業(yè)博士后加盟該團隊，50555736@qq.com）
張洪玉，副研究員，清華大學(xué)機械工程系摩擦學(xué)國家重點實驗室，從事生物摩擦學(xué)與仿生潤滑研究，設(shè)計并研發(fā)了多種生物醫(yī)用潤滑材料與技術(shù)，承擔(dān)國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金等項目10余項，以第一或通訊作者在Adv. Funct. Mater., Biomaterials, Nano Lett., Small, Research等期刊發(fā)表SCI收錄論文40余篇，以第一發(fā)明人申請發(fā)明專利10余件，參與撰寫《機械工程學(xué)科發(fā)展報告2014-2015：摩擦學(xué)》、《骨科植入物工程學(xué)》等中英文專著4本，擔(dān)任JWKJW生物及交叉技術(shù)領(lǐng)域先進仿生系統(tǒng)專家組助理等職務(wù)。
徐向陽，教授/博導(dǎo)，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院骨科足踝外科主任，上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院北院骨科主任，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院足踝疾病診治中心主任。長期致力于踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定/踝關(guān)節(jié)炎的臨床診治和發(fā)病機制的研究。先后擔(dān)任《中華骨科雜志》、《中國骨傷》、《國際骨科學(xué)雜志》等知名骨科雜志編委。先后主持國家自然科學(xué)基金5項，其他課題10項。發(fā)表SCI等期刊論文200多篇。目前擔(dān)任上海市醫(yī)師協(xié)會骨科分會足踝外科學(xué)組組長，中華醫(yī)師協(xié)會骨科學(xué)分會足踝外科學(xué)副組長，中國醫(yī)療保健國際交流促進會骨科分會足踝外科學(xué)部主任委員，中國醫(yī)師協(xié)會骨科醫(yī)師分會足踝外科工作委員會顧問，美國足踝外科協(xié)會國際委員等多項學(xué)術(shù)兼職。
