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西湖大學(xué)楊健教授團(tuán)隊(duì) AFM：可生物降解的檸檬酸基聚合物能夠?qū)崿F(xiàn)植入物演化的5維監(jiān)測(cè)
2024-10-31  來(lái)源：高分子科技

  在再生醫(yī)學(xué)和組織工程中，植入支架作為促進(jìn)組織修復(fù)與再生的重要工具，正受到越來(lái)越多的關(guān)注。這些可降解的支架不僅能夠提供機(jī)械支持，還能促進(jìn)新生組織的生長(zhǎng)，避免二次手術(shù)移除。然而，支架在體內(nèi)的降解過(guò)程極為復(fù)雜，涉及其結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能的多維變化。當(dāng)前的監(jiān)測(cè)手段往往依賴于侵入性取樣和解剖分析，無(wú)法實(shí)時(shí)、全面地追蹤支架的降解進(jìn)程。同時(shí)，現(xiàn)有的非侵入性成像技術(shù)，如CT和PET等，由于分辨率有限或需要放射性示蹤劑，難以提供植入物與周圍組織的詳細(xì)互動(dòng)信息。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)支架降解過(guò)程的技術(shù)成為該領(lǐng)域亟待解決的重要挑戰(zhàn)。


  近日，西湖大學(xué)楊健教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種名為BPLPMGd的新型可降解聚合物，能夠通過(guò)近紅外（NIR）熒光成像與磁共振成像（MRI）的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)植入物演變的五維（5D）監(jiān)控。這一創(chuàng)新性技術(shù)為組織工程支架的降解監(jiān)測(cè)提供了全新的解決方案，在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。2024年10月29日，該研究成果以“Biodegradable Citrate-Based Polymers Enable 5-Dimensional Monitoring of Implant Evolution”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，前賓夕法尼亞州立大學(xué)博士生單鼎英，西湖大學(xué)工學(xué)院博士后王丁博文，前賓夕法尼亞州立大學(xué)博士生馬運(yùn)聰為共同第一作者，賓夕法尼亞州立大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系張南鄞教授和前博士后梁智峰，賓夕法尼亞州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院外科系Dino Ravnic教授為共同作者。


  該工作始于BPLPMGd的設(shè)計(jì)與制備。圖1展示了研究者如何通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，將檸檬酸、1,8-辛二醇、L-絲氨酸與釓螯合物（Gd-DTPA）相結(jié)合，成功合成了一種具有雙模式成像功能的聚合物材料。這個(gè)材料不僅具有生物相容性，還能夠通過(guò)調(diào)節(jié)其組成成分來(lái)控制其降解速度。這種設(shè)計(jì)使得BPLPMGd能夠在體內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間使用，并且在降解過(guò)程中持續(xù)發(fā)揮作用。此外，研究者采用了鹽析法來(lái)制備高孔隙度的支架結(jié)構(gòu)，這種多孔結(jié)構(gòu)為細(xì)胞的滲入和生長(zhǎng)提供了理想的微環(huán)境，從而進(jìn)一步支持組織再生。


圖1 BPLPMGd的制備與表征


  材料設(shè)計(jì)完成后，接下來(lái)就是驗(yàn)證其成像性能。圖2展示了BPLPMGd的熒光與MRI成像能力。研究者發(fā)現(xiàn)，該聚合物在近紅外區(qū)域具有良好的熒光發(fā)射性能，能夠?qū)崿F(xiàn)深度穿透成像，這為植入物的體內(nèi)監(jiān)測(cè)提供了極大的便利。此外，隨著釓螯合物（Gd-DTPA）含量的增加，BPLPMGd在MRI成像中的信號(hào)強(qiáng)度也顯著增強(qiáng)，進(jìn)一步提高了成像的清晰度和準(zhǔn)確性。這種雙模式成像技術(shù)的結(jié)合，使得研究者能夠同時(shí)獲取支架的分子層面信息（熒光成像）和宏觀結(jié)構(gòu)變化（MRI成像），為支架的降解過(guò)程提供了全面的數(shù)據(jù)支持。


圖2 體外熒光與MRI研究


  圖3展示了BPLPMGd在大鼠模型中的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)將支架植入大鼠的皮下和肌肉中，研究者利用近紅外熒光成像技術(shù)，實(shí)時(shí)追蹤支架的降解過(guò)程。隨著時(shí)間的推移，支架的熒光信號(hào)逐漸減弱，表明支架正在逐步降解。值得注意的是，這一監(jiān)測(cè)過(guò)程是完全非侵入性的，研究者無(wú)需對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行手術(shù)操作，即可獲取實(shí)時(shí)的支架降解信息。


圖3 體內(nèi)近紅外熒光成像研究


  除了熒光成像外，MRI成像進(jìn)一步提供了支架的結(jié)構(gòu)變化信息。圖4展示了支架在體內(nèi)的MRI成像結(jié)果，研究者通過(guò)3D重建技術(shù)，精準(zhǔn)捕捉到了支架的體積變化和表面積變化。這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步揭示了植入支架在不同位置的降解速率，例如，肌肉中的支架比皮下的支架降解更快。通過(guò)MRI成像，研究者能夠全面掌握支架在體內(nèi)的形態(tài)變化，為支架的降解過(guò)程提供了更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)信息。


圖4 體內(nèi)MR成像研究


  為了進(jìn)一步驗(yàn)證支架的降解行為，研究者通過(guò)組織學(xué)分析對(duì)支架的降解過(guò)程進(jìn)行了研究。圖5展示了支架在體內(nèi)的組織學(xué)結(jié)果。隨著時(shí)間推移，支架的固體內(nèi)容物逐漸減少，周圍組織逐步滲入支架中，支架與周圍組織的相互作用越來(lái)越緊密。研究還通過(guò)顯微熒光成像進(jìn)一步證明，BPLPMGd的降解主要由表面侵蝕和體積侵蝕共同作用，且這一過(guò)程與體內(nèi)成像結(jié)果一致。這種多維度的驗(yàn)證進(jìn)一步證實(shí)了BPLPMGd在植入物監(jiān)測(cè)中的有效性。


圖5 植入BPLPMGd支架的組織學(xué)研究


  該研究成功開(kāi)發(fā)了一種新型可降解聚合物BPLPMGd，結(jié)合了近紅外熒光成像與磁共振成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植入支架三維結(jié)構(gòu)、位置、質(zhì)量損失、體積和幾何構(gòu)型的五維監(jiān)控。熒光成像穿透能力有限但能提供高分辨率、高信噪比及實(shí)時(shí)成像能力，而MRI可以獲得厘米級(jí)的穿透深度。兩種成像模態(tài)即可單獨(dú)使用，又可互為補(bǔ)充。在該工作中，體內(nèi)熒光成像和MR成像的聯(lián)合使用可以獲取詳細(xì)信息或監(jiān)測(cè)植入支架的降解過(guò)程，同時(shí)提供優(yōu)于單獨(dú)使用任何一種技術(shù)的補(bǔ)充數(shù)據(jù)。通過(guò)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，BPLPMGd在非侵入性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支架降解過(guò)程方面表現(xiàn)出卓越的成像能力和生物相容性。該聚合物在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，為未來(lái)智能植入物的設(shè)計(jì)和監(jiān)控提供了新的思路。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414400

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