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欧阳宏伟课题组研发仿生“关节油漆”,快捷翻新破损关节面

编辑:林海燕 来源:基础医学系 时间:2021年12月07日 访问次数:10  源地址

骨关节炎(Osteoarthritis,OA)是一种高发的、高致残率的关节疾病,这种疾病的发病率随着年龄的增大逐渐增加,而我国正面临着人口老龄化社会的进程,以此趋势骨关节炎将严重影响我国人民的生活质量,加重人民和社会的负担。探索老年骨关节炎的发病机理与早期干预手段是21世纪医学界亟待解决的课题之一——香山科学会议第701次学术讨论会。骨关节炎的形成机制复杂,其中关节表面的软骨缺损是一个重要原因。因此,修复受损的关节软骨是治疗骨关节炎的重要途径。软骨是一个特殊的组织,没有血管和淋巴,缺损之后自我修复的能力很差。修复大面积、不规则的非全层软骨缺损是目前临床治疗上的挑战。

图1 受到老旧汽车喷漆翻新策略的启发,设计了关节软骨可用的新型生物材料,以“关节油漆”为名,快捷翻新破损关节面,为伤痕累累的软骨带来新生

水凝胶材料由于具有与生物组织相似的物理化学性质,被广泛应用于组织工程和再生医学。最近,粘附性水凝胶已成为组织修复、伤口敷料和止血的有力工具,在生物组织、聚合物和金属表面起到保护层的作用。受到老旧汽车喷漆翻新策略的启发,浙江大学欧阳宏伟团队设计了一种具有组织黏附力的、抗压的、细胞亲和力强的、而且便于操作的粘附性水凝胶材料体系,用来治疗骨关节炎中的非全层软骨缺损。一般油漆涂料由成膜物和溶剂组成,加以颜料和一些助剂。成膜物随着溶剂流动至特定部位,随着溶剂的挥发,成膜物发生聚集或聚合反应,即在物体表面形成了涂层。传统油漆使用的溶剂多为有机溶剂,成膜物不具有生物相容性,因此不适合生物医学的应用。尽管如此,我们可以借鉴其原理,利用生物相容性良好的仿生软骨组分来构建可用于关节软骨的“油漆”。(图2)。

图2 (a)关节油漆使用以及化学机理示意图;(b)GelMA和明胶的核磁共振氢谱;(c)TNBS法测定明胶、低取代GelMA和高取代GelMA中氨基的含量;(d)醛基化CS及其与GelMA作用后的傅里叶变换红外光谱;(e)GelMA水凝胶及其与醛基化CS作用之后的溶胀曲线图。

在新西兰大白兔动物模型的研究中,研究者们发现,当软骨表面受损后,若未经任何治疗,软骨基质会发生进一步的退变和降解,而使用“关节油漆”处理后则可以保持软骨的健康,促进损伤软骨的再生。深入研究后发现,当软骨表面受损后,软骨细胞的凋亡和软骨基质的降解都会越发严重,这可能是软骨表面缺失后关节腔内的炎症因子更容易侵入软骨基质,造成软骨降解和关节炎症的恶性循环。而 “关节油漆”保护了缺损的软骨表面,物理阻隔了炎症因子与软骨基质,切断了病理进程(图3)。

图3 兔子关节软骨组织切片的IF染

最后,作者在大动物模型中进一步验证了关节油漆的体内修复功能,证明了关节油漆在体内软骨修复中的应用潜力(图4)。

图4 (a)在体外使用“关节油漆”填充猪软骨表面示意图;(b)体内修复大体图;(c)SO和H&E组织学染色

以上工作以“Biomimetic Joint Paint for Efficient Cartilage Repair by Simultaneously Regulating Cartilage Degeneration and Regeneration in Pigs”为题,发表于ACS Applied Materials & Interfaces杂志上(DOI: 10.1021/acsami.1c17629)。

本文共同第一作者为浙江大学医学院附属第四医院特聘研究员魏威博士,浙江大学爱丁堡大学联合学院博士生马远瞩,浙江大学基础医学院博士后张显著,浙江大学爱丁堡大学联合学院博士后周雯艳,通讯作者为浙江大学欧阳宏伟教授。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。


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