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浙江大學(xué)歐陽宏偉團隊研發(fā)仿生“關(guān)節(jié)油漆”,快捷翻新破損關(guān)節(jié)面
2021-12-01  來源:高分子科技

  骨關(guān)節(jié)炎(Osteoarthritis,OA)是一種高發(fā)的、高致殘率的關(guān)節(jié)疾病,這種疾病的發(fā)病率隨著年齡的增大逐漸增加,而我國正面臨著人口老齡化社會的進程,以此趨勢骨關(guān)節(jié)炎將嚴重影響我國人民的生活質(zhì)量,加重人民和社會的負擔(dān)。探索老年骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機理與早期干預(yù)手段是21世紀醫(yī)學(xué)界亟待解決的課題之一——香山科學(xué)會議第701次學(xué)術(shù)討論會。


  骨關(guān)節(jié)炎的形成機制復(fù)雜,其中關(guān)節(jié)表面的軟骨缺損是一個重要原因。因此,修復(fù)受損的關(guān)節(jié)軟骨是治療骨關(guān)節(jié)炎的重要途徑。軟骨是一個特殊的組織,沒有血管和淋巴,缺損之后自我修復(fù)的能力很差。修復(fù)大面積、不規(guī)則的非全層軟骨缺損是目前臨床治療上的挑戰(zhàn)。


圖1受到老舊汽車噴漆翻新策略的啟發(fā),設(shè)計了關(guān)節(jié)軟骨可用的新型生物材料,以“關(guān)節(jié)油漆”為名,快捷翻新破損關(guān)節(jié)面,為傷痕累累的軟骨帶來新生


  水凝膠材料由于具有與生物組織相似的物理化學(xué)性質(zhì),被廣泛應(yīng)用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)。最近,粘附性水凝膠已成為組織修復(fù)、傷口敷料和止血的有力工具,在生物組織、聚合物和金屬表面起到保護層的作用。受到老舊汽車噴漆翻新策略的啟發(fā),浙江大學(xué)歐陽宏偉團隊設(shè)計了一種具有組織黏附力的、抗壓的、細胞親和力強的、而且便于操作的粘附性水凝膠材料體系,用來治療骨關(guān)節(jié)炎中的非全層軟骨缺損。


  一般油漆涂料由成膜物和溶劑組成,加以顏料和一些助劑。成膜物隨著溶劑流動至特定部位,隨著溶劑的揮發(fā),成膜物發(fā)生聚集或聚合反應(yīng),即在物體表面形成了涂層。傳統(tǒng)油漆使用的溶劑多為有機溶劑,成膜物不具有生物相容性,因此不適合生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用。盡管如此,可以借鑒其原理,利用生物相容性良好的仿生軟骨組分來構(gòu)建可用于關(guān)節(jié)軟骨的“油漆”。(圖2)。


圖2 (a)關(guān)節(jié)油漆使用以及化學(xué)機理示意圖;(b)GelMA和明膠的核磁共振氫譜;(c)TNBS法測定明膠、低取代GelMA和高取代GelMA中氨基的含量;(d)醛基化CS及其與GelMA作用后的傅里葉變換紅外光譜;(e)GelMA水凝膠及其與醛基化CS作用之后的溶脹曲線圖。


  在新西蘭大白兔動物模型的研究中,研究者們發(fā)現(xiàn),當(dāng)軟骨表面受損后,若未經(jīng)任何治療,軟骨基質(zhì)會發(fā)生進一步的退變和降解,而使用“關(guān)節(jié)油漆”處理后則可以保持軟骨的健康,促進損傷軟骨的再生。深入研究后發(fā)現(xiàn),當(dāng)軟骨表面受損后,軟骨細胞的凋亡和軟骨基質(zhì)的降解都會越發(fā)嚴重,這可能是軟骨表面缺失后關(guān)節(jié)腔內(nèi)的炎癥因子更容易侵入軟骨基質(zhì),造成軟骨降解和關(guān)節(jié)炎癥的惡性循環(huán)。而 “關(guān)節(jié)油漆”保護了缺損的軟骨表面,物理阻隔了炎癥因子與軟骨基質(zhì),切斷了病理進程(圖3)


圖3 兔子關(guān)節(jié)軟骨組織切片的IF染色。


  最后,作者在大動物模型中進一步驗證了關(guān)節(jié)油漆的體內(nèi)修復(fù)功能,證明了關(guān)節(jié)油漆在體內(nèi)軟骨修復(fù)中的應(yīng)用潛力(圖4)。


圖4 (a)在體外使用“關(guān)節(jié)油漆”填充豬軟骨表面示意圖;(b)體內(nèi)修復(fù)大體圖;(c)SO和H&E組織學(xué)染色


  以上工作以“Biomimetic Joint Paint for Efficient Cartilage Repair by Simultaneously Regulating Cartilage Degeneration and Regeneration in Pigs”為題,發(fā)表于《ACS Applied Materials & Interfaces》雜志上(DOI: 10.1021/acsami.1c17629)。本文共同第一作者為浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第四醫(yī)院特聘研究員魏威博士,浙江大學(xué)愛丁堡大學(xué)聯(lián)合學(xué)院博士生馬遠矚,浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系博士后張顯著,浙江大學(xué)愛丁堡大學(xué)聯(lián)合學(xué)院博士后周雯艷,通訊作者為浙江大學(xué)歐陽宏偉教授。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金和中國博士后科學(xué)基金的資助。


  文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.1c17629

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