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构建水凝胶实现关节镜水压环境下软骨修复
来源:网络        作者:佚名        时间:2021-09-10
  近期,上海交通大学生物医学工程学院林秋宁研究员、上海交通大学附属第九人民医院周广东研究员联合设计了一种超快、高强、强粘的杂化光交联(Hybrid Photo-Crosslinking)水凝胶技术。该水凝胶技术能够满足关节镜手术实施软骨缺损修复的苛刻要求,即在水压环境下实现光固化操作。通过该技术构建水凝胶支架材料负载自体软骨细胞,该团队成功实现了大动物(猪)负重区关节软骨缺损修复。相关工作以“Ultrafast, tough, and adhesive hydrogel based on hybrid photocrosslinking for articular cartilage repair in water-filled arthroscopy”为题发表在Science Advances。


  关节软骨损伤是临床上最为常见的关节退行性疾病,发病率非常高,尤其是在中老年群体中。关节软骨损伤往往造成关节软骨的退行性病变,如骨关节炎,可以导致残疾、关节运动期间的疼痛以及骨关节的变形,不仅严重影响患者的生活质量,而且消耗了大量的医疗资源。软骨组织既没有神经支配也没有血管化,并且细胞密度极低,当外力造成软骨损伤时,机体缺乏必要的营养物质供应,导致软骨组织的修复再生能力十分有限。因此针对局限性软骨缺损的中度退变患者,临床上主要采用微骨折术或自体软骨移植术进行治疗。但是该类手术仅限于小范围的软骨缺损修复,其供体来源十分有限,且移植软骨与周围正常软骨整合欠佳。
  组织工程与再生医学技术的发展为解决上述难题提供了全新的策略—软骨组织工程,即通过结合自体软骨细胞和三维支架材料(如水凝胶材料)进行关节软骨缺损修复的先进技术。随着临床上微创手术的普遍化,理想的软骨组织工程支架材料需要与当前的关节镜手术相结合。与开放式手术不同,标准的关节镜操作过程需要一定的水压(~10 kPa)将关节腔撑开,以便于手术观察与操作,这对当前的水凝胶技术提出了巨大的挑战:要求材料能够通过腔镜器械准确注射到缺损部位并在水下快速固化,固化后与周围组织牢固粘合且在水压环境下维持机械稳定性。然而迄今为止,没有任何一项水凝胶技术能够突破这一技术壁垒。
  基于此,上海交通大学林秋宁/周广东团队设计了一种新型的杂化光交联水凝胶系统,通过将该团队特色的光致亚胺交联策略和传统的光引发自由基聚合交联策略结合,实现一次光照秒级构建高强、高粘的双网络水凝胶。如图1所示,除了透明质酸高分子上双建官能团的快速聚合交联外,另一透明质酸高分子上的邻硝基苄醇在光照下生成的醛基,能够与明胶或周围组织上的氨基反应,从而实现双网络水凝胶支架材料的一步构建、以及胶层与周围组织的化学键键合固定。该类凝胶技术具有超快的交联速度(约1 s)、较高的力学性能(约2 MPa)、优异的组织粘附能力(凝胶-软骨界面强度:纵向拉伸力16.4±1.2 kPa;横向剪切力29.0±3.2 kPa)。

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