導 語
據(jù)康涅狄格大學的研究人員在《自然通訊》雜志上發(fā)表的報告稱，在將來，可能只需要通過注射凝膠即可修復(fù)因活動而受損的關(guān)節(jié)軟骨。
1、研究背景
日常生活中的跑步、攀爬和跳躍等活動會磨損我們的關(guān)節(jié)軟骨，直到骨與骨之間進行直接摩擦，產(chǎn)生劇烈疼痛，這種情況稱為骨關(guān)節(jié)炎。據(jù)世界衛(wèi)生組織稱，全球有超過5億人受到骨關(guān)節(jié)炎的影響，而膝蓋是最?；疾〉年P(guān)節(jié)。切除或修復(fù)受損膝蓋軟骨的手術(shù)很常見，但其成功率不高，很少有成年人能再生軟骨。目前已有與人類軟骨兼容的支架，并在植入膝蓋后促進軟骨再生，但此種支架仍需手術(shù)進行植入。
2、研究概述
在軟骨內(nèi)存在關(guān)節(jié)運動或變形時產(chǎn)生的電流。目前研究已經(jīng)證實，電刺激可能通過補充受損軟骨中被損壞的電場，從而對軟骨修復(fù)產(chǎn)生促進作用。但由于外源電刺激會因周圍組織的吸收而顯著減弱，而植入電刺激裝置會來巨大的感染風險，因此受到限制。壓電材料具有在機械應(yīng)力下自發(fā)電的能力，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學領(lǐng)域，證明其在骨骼、軟骨、骨骼肌、皮膚和神經(jīng)再生方面的潛力。然而，這種傳統(tǒng)壓電材料在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用受到不可降解或有害物質(zhì)的限制。
圖1：a) 壓電水凝膠用于骨關(guān)節(jié)炎患者示意圖。壓電水凝膠含有壓電聚左旋乳酸短納米纖維和膠原蛋白水凝膠基質(zhì)，可以通過關(guān)節(jié)鏡或 X 射線引導注射到膝關(guān)節(jié)中。壓電水凝膠由外部超聲設(shè)備激活以產(chǎn)生電信號。b-1) 在 X 射線下觀察兔子尸體上的膝蓋缺損（紅色虛線圓圈），并注入可注射壓電水凝膠。b-2)使用胰島素針加載壓電水凝膠以測試可注射性（比例尺：1cm）。b-3) 羅丹明B染色聚左旋乳酸短納米纖維（紅色）的熒光圖像，以此可視化 I 型膠原蛋白基質(zhì)內(nèi)短納米纖維的分布（比例尺：100 µm）。b-4）固化壓電水凝膠的宏觀圖像（比例尺：1 cm）。
（圖片來源于《自然通訊》）
康涅狄格大學的研究人員在文章中介紹一種可生物降解的可注射壓電水凝膠，由冷凍切片的壓電聚左旋乳酸短納米纖維(NF-sPLLA)和膠原基質(zhì)制成，可以注射到關(guān)節(jié)軟骨缺損中，以避免侵入性植入手術(shù)，并通過超聲激活，以電刺激嚴重缺損的軟骨愈合，治療骨關(guān)節(jié)炎。
這種壓電水凝膠可以在外部超聲下產(chǎn)生局部電荷，以促進細胞遷移、吸引宿主細胞并誘導內(nèi)源性生長因子，啟動軟骨化過程，并最終引導細胞外基質(zhì)蛋白沉淀以治愈軟骨組織。研究人員稱，在兔子的臨界尺寸骨軟骨缺損模型中，接受壓電水凝膠的個體在超聲激活1-2個月后，缺損內(nèi)的透明軟骨和軟骨下骨顯著再生，具有很強的機械性能。
圖2：a) 數(shù)碼照片顯示僅有缺陷的兔股骨、非壓電組和壓電水凝膠組（有或沒有 US 激活）（1-2 個月）。紅色圓圈標記了缺陷最初產(chǎn)生的位置。b) 使用 µ-CT 重建股骨上的骨骼。
（圖片來源于《自然通訊》）
研究人員還對此種水凝膠進行了為期9周的降解研究。在37℃的條件下，壓電聚左旋乳酸短納米纖維水凝膠支架的體積隨著時間推移逐漸減少。該結(jié)果表明由此種水凝膠制成的支架是可生物降解的。
該文獻同時介紹了此種水凝膠的制備以及各特性參數(shù)的測量方法。
3、研究意義
壓電聚左旋乳酸短納米纖維是一種重要的生物材料，可以注入體內(nèi)治療嚴重的軟骨缺損。水凝膠與超聲激活方法可能適用于其他受損組織的再生，例如骨骼、神經(jīng)、肌肉、皮膚等。此外，這種水凝膠可以用作創(chuàng)建其他醫(yī)療設(shè)備的平臺，例如可注射壓電致動器、傳感器、能量收集器和轉(zhuǎn)換器。因此其不僅對組織再生工程領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，而且還可能對其他領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，例如藥物輸送、健康監(jiān)測和其他疾病的治療與預(yù)防。
參考文獻：Vinikoor, T., Dzidotor, G.K., Le, T.T. et al. Injectable and biodegradable piezoelectric hydrogel for osteoarthritis treatment. Nat Commun 14, 6257 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41594-y
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