發(fā)布時間：2021-08-03 21:48

　　軟骨損傷的發(fā)病率逐年增高,治療要求也從過去的緩解疼痛,到現(xiàn)在的恢復(fù)運動功能,達(dá)到或接近傷前生活質(zhì)量水平。傳統(tǒng)的治療方式受限于軟骨組織特殊的生理病理條件,難以達(dá)到良好的遠(yuǎn)期治療效果,所以,開發(fā)新型有效的治療方式是軟骨組織工程領(lǐng)域的研究熱點。要達(dá)到良好的軟骨修復(fù)效果,除了滿足必需的生物活性因子與種子細(xì)胞要求外,作為載體的水凝膠也至關(guān)重要,只有與軟骨本身的生物力學(xué)特征相似,才能夠為軟骨再生提供仿生的微環(huán)境。為了達(dá)到這一要求,已有多種設(shè)計方式與結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于軟骨組織工程水凝膠的構(gòu)建,該文從水凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度對其在軟骨修復(fù)組織工程中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述。 

【文章來源】：生命科學(xué). 2020,32(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：14 頁

【部分圖文】：

含有硫酸軟骨素以及功能化PEG的互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠

半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠作為一種特殊的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)與互穿網(wǎng)絡(luò)也有所區(qū)別。Ling等[24]探討了PVA與聚丙烯酰胺(PAAm)構(gòu)成的半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠對不同界面的摩擦系數(shù)。該研究使用過硫酸銨(APS)和偶氮二異丁腈(AIBN)作為引發(fā)劑和交聯(lián)劑，成膠后進(jìn)行退火處理，并測試了其力學(xué)強(qiáng)度及相對于鈷鉻合金和關(guān)節(jié)軟骨的摩擦系數(shù)。經(jīng)退火處理后水凝膠的極限拉伸應(yīng)力可達(dá)8 MPa，相對于軟骨的摩擦系數(shù)僅為0.02。也有研究對聚乳酸(PLLA)與甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)構(gòu)成的半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠的溶脹特性、力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了探索[25]。在這種水凝膠體系中，研究者使用過氧化二叔丁基(TBPO)作為引發(fā)劑，通過自由基反應(yīng)形成以聚HEMA為一級網(wǎng)絡(luò)，PLLA為半結(jié)晶狀態(tài)的半互穿結(jié)構(gòu)，其拉伸模量可到240～370 MPa，儲能模量可達(dá)800～1 200 MPa，具有良好的生物相容性，且在水凝膠的多孔結(jié)構(gòu)中觀察到細(xì)胞遷移(圖5a)，是修復(fù)軟骨及軟骨下骨損傷的理想支架材料。使用軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分膠原與透明質(zhì)酸構(gòu)建的半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠從生物學(xué)的角度對軟骨進(jìn)行仿生[26]。通過膠原纖維構(gòu)建一級網(wǎng)絡(luò)，透明質(zhì)酸作為二級網(wǎng)絡(luò)，同時在其中負(fù)載明膠微球以增加其與TGF-β3的結(jié)合能力，從而維持軟骨細(xì)胞表型。因此，這種可注射型的水凝膠在體內(nèi)及體外均能促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化(圖5b)。由納米材料構(gòu)建的水凝膠也是本領(lǐng)域研究的熱點之一。Radhakrishnan等[27]設(shè)計了一種可注射型半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，將海藻酸鹽與PVA共混后，通過對海藻酸鹽進(jìn)行離子交聯(lián)構(gòu)建一級網(wǎng)絡(luò)，隨后使用PVA構(gòu)建二級網(wǎng)絡(luò)，并在其中包裹了負(fù)載有硫酸軟骨素的玉米醇溶蛋白納米顆粒(圖5c)。這種通過液-液分散法制備的納米顆粒具有均勻可控的粒徑分布，而水凝膠則具有良好的孔隙率與內(nèi)部連通性，兩者的結(jié)合可有效維持軟骨細(xì)胞表型。在長達(dá)6周的體外實驗中，與水凝膠共培養(yǎng)的軟骨細(xì)胞能夠始終高表達(dá)軟骨特異性基因，同時去分化相關(guān)基因表達(dá)則一直處于低水平，表明這種可注射的半互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠具備修復(fù)不規(guī)則軟骨損傷的潛力。在另一項研究中，他們將這種納米顆粒用于可在骨軟骨損傷部位原位成膠的梯度納米互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠中[28]。在軟骨下骨區(qū)域?qū)⒓{米羥基磷灰石與海藻酸鈉及PVA共混后，通過離子交聯(lián)成膠，在軟骨區(qū)域則加入了硫酸軟骨素納米顆粒，同樣通過鈣離子交聯(lián)，但上下兩個區(qū)域的鈣離子濃度不同，以形成模量及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有梯度的支架結(jié)構(gòu)。這種支架結(jié)構(gòu)植入動物模型后能夠表現(xiàn)出較好的修復(fù)效果(圖5d)，不僅軟骨面有新生軟骨組織的覆蓋，缺損的軟骨下骨區(qū)域也可見明顯的松質(zhì)骨填充。

由于軟骨損傷后糖胺聚糖(GAG)含量降低會導(dǎo)致固有力學(xué)性能降低，Cooper等[34]設(shè)計了一種仿生GAG結(jié)構(gòu)的水凝膠，可與軟骨細(xì)胞外基質(zhì)中的GAG構(gòu)成軟骨-水凝膠雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種仿生GAG的網(wǎng)絡(luò)由親水性兩性離子單體(MPC)與聯(lián)劑乙二醇二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)構(gòu)成(圖7a)。將GAG含量減少后的軟骨組織浸入MPC與EGDMA組成的溶液后，再加入由伊紅Y、三乙醇胺和N-乙烯基吡咯烷酮組成的光引發(fā)體系，通過光聚合即可使仿生水凝膠與軟骨組織中的GAG構(gòu)成雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)處理后的退化軟骨組織力學(xué)強(qiáng)度能夠達(dá)到健康軟骨組織的3～4倍，且這種方法對健康軟骨力學(xué)性能的提升能力明顯弱于退化軟骨，表明其可以選擇性地作用于病變嚴(yán)重部位，可作為早期預(yù)防軟骨退變，治療骨關(guān)節(jié)炎的有效手段。當(dāng)軟骨損傷較為嚴(yán)重時，進(jìn)行馬賽克移植術(shù)是一種常用的治療方案。為了克服移植區(qū)域供體有限及二次損傷等多種不利因素，可以嘗試使用具有低摩擦系數(shù)和邊界潤滑特征的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠用于損傷軟骨的填充[35]。水凝膠的兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別由2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(APMS)、亞甲基雙丙烯酰胺(MBAA)在α-酮戊二酸(α-KA)催化下形成，成膠后再浸入2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿(MPC)中，使用α-KA催化構(gòu)建第三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖7b)。由這種方式構(gòu)建的水凝膠應(yīng)變極限高達(dá)94%，屈服強(qiáng)度達(dá)到26 MPa，在生理滑動速度范圍內(nèi)其摩擦力也與天然軟骨接近，表明這種水凝膠結(jié)構(gòu)植入后能夠降低由于力學(xué)性質(zhì)差異而造成的早期移植失敗的風(fēng)險。Means等[36]也報道了一種可對軟骨模量、強(qiáng)度及潤滑系進(jìn)行仿生的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠。在他們的研究中，一級網(wǎng)絡(luò)同樣使用APMS和MBAA在α-KA催化下發(fā)生光交聯(lián)反應(yīng)生成，二級網(wǎng)絡(luò)由N-異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)和丙烯酰胺在一級網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上聚合而成(圖7c)，在一級網(wǎng)絡(luò)中存在離子相互作用，在二級網(wǎng)絡(luò)中則存在可逆的疏水相互作用。其壓縮強(qiáng)度約為25 MPa、楊氏模量約1 MPa、水化程度約80%，均與天然軟骨類似，且摩擦系數(shù)降低50%，也是一種可用于軟骨移植的候選材料。圖7 具備軟骨仿生力學(xué)性質(zhì)的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠


本文編號：3320394