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科學(xué)家重大突破：新型生物材料，可修復(fù)心臟和聲帶。

 

據(jù)報(bào)道，由蒙特利爾麥吉爾大學(xué)多學(xué)科科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)的可注射水凝膠足以修復(fù)心臟、肌肉和聲帶。據(jù)研究人員小組稱，它被描述為再生醫(yī)學(xué)的重大進(jìn)步，是全球范圍內(nèi)第一種可以承受心臟和聲帶組織在愈合過程中不斷運(yùn)動的可注射傷口修復(fù)材料。

 

水凝膠是一種生物材料，可以為細(xì)胞的生存和生長提供空間。一旦注射到體內(nèi)，生物材料就會形成穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)，具有高滲透性和韌性的特點(diǎn)。允許活細(xì)胞生長或通過以修復(fù)受損的器官。注射水凝膠對再生醫(yī)學(xué)具有深遠(yuǎn)的影響。然而目前許多可注射的水凝膠不能維持很大的變形，在機(jī)械動力學(xué)組織環(huán)境中容易斷裂，尤其是像心臟、聲帶這類生物組織。

 

"心臟受損愈合恢復(fù)往往面臨漫長而棘手的過程。因?yàn)殡S著心臟的跳動，組織必須承受恒定運(yùn)動帶來的牽引力。聲帶也是如此。迄今為止，還沒有足夠堅(jiān)韌的可注射材料可以勝任這項(xiàng)工作，"麥吉爾大學(xué)機(jī)械工程系博士研究生Guangyu Bao說道。

 

基于此，麥吉爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)新開發(fā)了一種新型雙網(wǎng)絡(luò)（DN）可注射水凝膠，所得水凝膠的相互連接的孔隙能夠通過有機(jī)物大小的介質(zhì)。

 

研究人員在模擬人類聲帶極端生物力學(xué)的機(jī)器中測試了他們這款水凝膠的韌性。研究表明，新水凝膠在長時(shí)間的高頻振動（每秒120次的速度振動超過6000000次循環(huán)）下保持物理完整性。而其他標(biāo)準(zhǔn)水凝膠則斷裂成碎片。

 

"我們非常高興看到這項(xiàng)測試的結(jié)果。在我們之前，沒有同時(shí)具有高孔隙率和韌性的可注射的水凝膠"Guangyu Bao說。研究人員認(rèn)為這項(xiàng)研究在其他新應(yīng)用方面也具有巨大潛力，如藥物輸送，組織工程、切片器官、藥物遞送和疾病建模等。

 

01、水凝膠——面向未來的100項(xiàng)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新

熱點(diǎn)資訊

 

近日，歐盟委員會（EUROPEAN COMMISSION）發(fā)布《面向未來的100項(xiàng)重大創(chuàng)新突破》（100 Radical Innovation Breakthroughs for the future）報(bào)告。

 

“水凝膠”就位列其中。

 

其評定依據(jù)是：

 

水凝膠是具有高吸收性（包含90%以上的水）的天然或合成聚合物。由于它們的含水量較高 ，表現(xiàn)出“與自然組織相當(dāng)?shù)娜犴g性”，水凝膠通常作為分子和細(xì)胞物種的載體，能夠總結(jié)細(xì)胞/組織發(fā)育過程中的動態(tài)信號。由于其仿生性，水凝膠是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的主要材料，如藥物輸送和干細(xì)胞治療。一般來說，制造水凝膠需要一系列前體材料之間的化學(xué)反應(yīng)和相互作用。

 

水凝膠在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的前景。不久的將來，水凝膠將為急救工作提供基礎(chǔ)支持，使患者能夠達(dá)到自我修復(fù)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，治愈性軟體機(jī)器人將可以接觸生物體的細(xì)胞，并在微觀和亞微觀水平上進(jìn)行手術(shù)。

 

02、水凝膠，到底有多火？

 

水凝膠，一個(gè)應(yīng)用非常廣泛的領(lǐng)域，研究的深度非常值得去挖掘。

 

從低值醫(yī)用耗材到高端藥物輸送技術(shù)，從外用敷料到體內(nèi)組織支架，水凝膠因其特有性能在生物醫(yī)藥領(lǐng)域大放異彩！

 

十大創(chuàng)新應(yīng)用

 

01、醫(yī)用敷料

 

外傷及外傷感染是醫(yī)院的多發(fā)病例，醫(yī)用敷料可充當(dāng)保護(hù)屏障，用來覆蓋傷口，吸收傷口滲出液體，幫助創(chuàng)面愈合。水凝膠具有良好的柔韌性和生物相容性，其制作的敷料吸收液體性能好，能夠?yàn)閯?chuàng)面創(chuàng)造一個(gè)利于組織再生的濕潤環(huán)境，凝膠滑彈狀態(tài)可有效地避免了傷口黏連造成的二次傷害，因此成為醫(yī)用敷料的極佳選擇。

 

02、藥物輸送

 

藥物輸送系統(tǒng)是利用材料作為載體或介質(zhì)，與藥物結(jié)合后進(jìn)入人體使藥物分子在人體內(nèi)持續(xù)緩慢地釋放，從而達(dá)到治療疾病的目的。

 

水凝膠具有儲存藥物、控制藥物釋放速度和驅(qū)動釋放的功能，既能調(diào)節(jié)制劑的硬度和強(qiáng)度，又具有促進(jìn)分解的作用，還能遮蔽醫(yī)藥品的氣味，在藥物釋放載體領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

 

03、牙齦再生

 

牙髓再生是運(yùn)用組織工程學(xué)的原理，將牙髓干細(xì)胞在體外培養(yǎng)后植入生物相容性良好且可以被吸收降解的生物支架上，誘導(dǎo)牙髓干細(xì)胞形成牙髓-牙本質(zhì)復(fù)合體和類牙髓樣組織，修復(fù)受損牙髓組織并恢復(fù)其生理功能。

 

水凝膠可以制備成可注射劑型，在凝膠化前可通過注射的方式使液體充分填充髓腔和根管，發(fā)生凝膠化反應(yīng)后，形成的水凝膠與周圍組織密切貼合，非常適合在牙髓再生研究中應(yīng)用。另外。水凝膠包封細(xì)胞后發(fā)生溶膠-凝膠轉(zhuǎn)化，可使細(xì)胞在凝膠內(nèi)部分布較為均勻，可能解決牙髓再生中外源細(xì)胞難以深入根管內(nèi)支架深部的問題。

 

04、心臟修復(fù)

 

心肌梗死是威脅人類健康的重大疾病之一，心肌梗死后大量心肌細(xì)胞發(fā)生壞死并形成瘢痕，導(dǎo)致心力衰竭。采用直接心臟移植來進(jìn)行心臟修復(fù)治療，受供體數(shù)量、排斥反應(yīng)等影響，成功率低。因此，采用細(xì)胞移植進(jìn)行心臟修復(fù)是治療心力衰竭的更有效方法，但移植后細(xì)胞的低滯留率和低存活率大大限制了其在臨床的推廣應(yīng)用。

 

水凝膠可以由多種天然或合成衍生聚合物構(gòu)成，并組裝成高含水量的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)。這些特點(diǎn)使水凝膠能夠模仿細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境作為細(xì)胞移植的載體，促進(jìn)細(xì)胞存活、增殖、分化和遷移，促進(jìn)組織再生?？勺⑸渌z為移植細(xì)胞提供較好的生存環(huán)境，除了滿足生物相容性、低免疫原性、高滲透性及可調(diào)機(jī)械性能，還可經(jīng)導(dǎo)管輸注到心肌進(jìn)行微創(chuàng)治療，是心臟組織工程的重要組成部分。

 

05、神經(jīng)修復(fù)

 

周圍神經(jīng)損傷（PNI）導(dǎo)致軸突連續(xù)性中斷、遠(yuǎn)端神經(jīng)纖維退化和神經(jīng)元死亡，引起患者運(yùn)動、感覺等自主功能喪失，嚴(yán)重影響患者正常生活。治療PNI 的傳統(tǒng)外科手術(shù)方法是用自體神經(jīng)和人造生物材料進(jìn)行橋接修復(fù)，但自提神經(jīng)來源受限且尺寸不匹配等原因限制其應(yīng)用。組織支架可作為神經(jīng)細(xì)胞生長的載體和神經(jīng)藥物高效輸送的平臺，可克服自體神經(jīng)問題用于治療神經(jīng)修復(fù)。

 

天然高分子水凝膠是一類高生物相容性材料，與人體細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境相近，是近年來應(yīng)用于神經(jīng)修復(fù)的熱點(diǎn)醫(yī)用材料。其硬度和粘彈性等力學(xué)性能與人體神經(jīng)組織相近，膨脹后構(gòu)建的致密三維結(jié)構(gòu)可促進(jìn)神經(jīng)生長，承載生物活性物質(zhì)可以制備具有藥物緩釋功能的水凝膠神經(jīng)組織支架。另外，天然高分子水凝膠可作為細(xì)胞培養(yǎng)平臺，定向排列細(xì)胞，促進(jìn)神經(jīng)軸突生長，彌補(bǔ)受損神經(jīng)間隙，從而修復(fù)周圍神經(jīng)損傷。

 

06、骨修復(fù)

 

衰老、疾病、創(chuàng)傷等多種因素引起的骨缺損對人體產(chǎn)生極大的危害，因此需要有效的治療方法實(shí)現(xiàn)骨組織的修復(fù)和再生。骨移植是治療骨缺損的重要手段，然而骨移植材料來源匱乏、異體骨移植的供體骨組織不健全、感染與并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)等，使骨移植的應(yīng)用受到限制。

 

刺激響應(yīng)型水凝膠含有普通水凝膠的優(yōu)點(diǎn)，能夠感受溫度、光照、PH 和磁場等外界物理化學(xué)刺激，進(jìn)而在三維形狀、固液相態(tài)等性質(zhì)上觸發(fā)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生可注射性、自愈合性、形狀記憶等性能，可用于搭載活性細(xì)胞及細(xì)胞生長因子并植入缺損組織，實(shí)現(xiàn)骨組織損傷修復(fù)和功能重建。

 

07、脊髓損傷修復(fù)

 

脊髓損傷（SCI）會導(dǎo)致受損脊髓以下神經(jīng)功能障礙，引起感覺或運(yùn)動能力的部分或全部喪失，患者多遺留四肢癱瘓、頑固性神經(jīng)痛等嚴(yán)重后遺癥。間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）移植是治療脊髓損傷的重要手段，但細(xì)胞移植后的低存活率限制其在臨床上的進(jìn)一步應(yīng)用。

 

水凝膠材料因其良好的生物相容性、生物降解性被廣泛應(yīng)用于組織工程。MSCs 與水凝膠聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，水凝膠能夠穩(wěn)定病變部位炎癥環(huán)境，同時(shí)負(fù)載 MSCs 將其原位遞送到損傷區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，并為受傷組織的再生提供適宜環(huán)境，在 SCI修復(fù)方面有良好的應(yīng)用前景。

 

08、骨關(guān)節(jié)炎軟骨損傷修復(fù)

 

骨關(guān)節(jié)炎是一種退行性病變，軟骨組織的慢性炎癥通過免疫反應(yīng)等機(jī)制導(dǎo)致軟骨損傷。由生物支架、種子細(xì)胞和有利的生長因子組成的組織工程發(fā)展成為最有前途的軟骨組織修復(fù)策略，但移植種子細(xì)胞后，細(xì)胞外基質(zhì)由于支持不足及炎癥造成大量細(xì)胞死亡，軟骨修復(fù)達(dá)不到預(yù)期的效果，所以要求生物支架應(yīng)具有生物相容性和生物可吸收性，同時(shí)可支持細(xì)胞生長和分化，提供適應(yīng)的機(jī)械環(huán)境并允許細(xì)胞營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸。

 

水凝膠作為交聯(lián)親水性聚合物是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域重要的生物材料，具有優(yōu)異的生物相容性，可導(dǎo)致最小的炎癥反應(yīng)和組織損傷。透明質(zhì)酸遍布于結(jié)締組織、上皮組織和神經(jīng)組織，是細(xì)胞外基質(zhì)的重要組成部分，有助于細(xì)胞增殖和遷移。因此，結(jié)合兩者優(yōu)勢的透明質(zhì)酸水凝膠具有良好的生物相容性、生物降解性和低免疫原性，在骨性關(guān)節(jié)炎的軟骨修復(fù)中得到了廣泛應(yīng)用。

 

09、醫(yī)用植介入

 

水凝膠介入療法是水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里的一種嶄新的應(yīng)用。通過水凝膠的界面原位聚合技術(shù)，在血管內(nèi)表面形成一層薄薄的水凝膠涂層，從而隔離血液與受傷血管壁的接觸，抑制血小板沉積、血栓形成和新生內(nèi)膜擴(kuò)增。另外，生物活性水凝膠涂層可通過引入生物活性因子，促進(jìn)血管內(nèi)皮愈合，從而恢復(fù)血管的正常功能。

 

10、生物監(jiān)測

 

通過將導(dǎo)電填料與不同類型的聚合物基質(zhì)結(jié)合在一起，可以合成出多種類型的導(dǎo)電聚合物水凝膠。導(dǎo)電水凝膠作為一種新型功能凝膠材料，受到了研究者的青睞，科學(xué)家使用導(dǎo)電水凝膠開發(fā)了電容傳感器來應(yīng)用于監(jiān)測人體活動。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)電水凝膠電容傳感器對不同力度的手指觸碰和不同程度的手指彎曲形變都表現(xiàn)出靈敏的響應(yīng)行為。