林秋宁、周广东等构建秒级固化、高强度、高粘附水凝胶实现关节镜水压环境下软骨修复

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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, 2021, 7, eabg0628。
        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）。

图1. 杂化光交联水凝胶的构建示意图及理化性质表征

         进一步，该团队验证了该类杂化光交联水凝胶具有优异的生物相容性与生物降解性，较低的免疫炎症反应，能够作为支架材料包裹软骨细胞，在裸鼠皮下再生成熟的组织工程软骨。接着，该团队重点探讨了该杂化光交联凝胶技术应用于关节镜水下原位修复软骨缺损的可行性。如图2所示，水凝胶前体溶液通过为该技术量身定制的关节镜辅助装置注射至水下的软骨缺损部位，随即打开395 nm光源，使胶液快速固化并与周围软骨组织一体化整合，得到的凝胶-软骨复合物能够承受47.8±6.5 kPa的水压强度，远远超过了临床上关节镜手术过程中所需的水压（~ 10 kPa）。

图2. 杂化光交联凝胶技术用于关节镜手术的体外模拟实验

        最后，该团队应用杂化光交联水凝胶包裹自体软骨细胞，成功实现了在体关节镜手术下猪关节负重区的软骨缺损修复。如图3所示，与体外模拟实验结果一致，该水凝胶技术可以在连续液体（生理盐水）灌溉压力（~ 10 kPa）下，精准修补软骨缺损部位。实验组中，关节软骨缺损处基本被新生的透明软骨组织覆盖，呈现出软骨特异性染色和典型的软骨陷窝结构，并且与周围正常软骨组织整合一体化。综上所述，该水凝胶技术集合了可控快速交联、优异机械性能以及可组织粘附的特性，满足关节镜手术水压环境下的应用要求，有望拓展成为微创手术盛行趋势下软骨缺损治疗的新策略。

图3. 杂化光交联水凝胶技术用于关节镜手术下的在体软骨缺损修复

       本论文第一作者：华宇杰、夏会堂、贾立涛；通讯作者：周广东、林秋宁，该工作得到了上海交通大学朱麟勇教授的悉心指导。动物实验关节镜手术操作、设备以及数据结果分析等得到了长期合作方上海交通大学附属第六人民医院赵金忠主任团队的大力支持。该工作得到了国家重大研发计划（2019YFA0110500 、2017YFC1103900）、国家优秀青年科学基金（22022506）等项目支持。
        原文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/35/eabg0628
        上海交通大学生物医学工程学院朱麟勇教授、林秋宁研究员简介：


         文章来源：上海交通大学
         林秋宁，长聘教轨副教授，博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者。2007获得华东理工大学学士学位，2013年获华东理工大学博士学位，同年留校从事博士后研究工作。2016-2017年赴美国华盛顿州立大学访问一年，2017年8月回国任华东理工大学副研究员，2020年初加入上海交通大学生物医学工程学院。2020年获中国生物医学工程学会青年学者奖，并获国家自然科学基金优秀青年科学基金资助。一直从事生物医用材料的基础和应用研究，创新性提出光化学偶联反应构建水凝胶的新方法和近红外光控制药物释放的新手段。在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等国际重要学术期刊上发表论文45篇，研究工作获得哈佛医学院、麻省理工学院、美国NIH等生物材料及医学领域相关知名研究组的高度评价。申/获中国及国际PCT专利10余项，授权6项，所建立的方法在生物医药领域具有重要的临床转化价值，已实现1项技术转化。主持国家自然科学基金、上海市人才计划等十余项项目。
        周广东，组织工程学博士，上海交通大学医学院附属第九人民医院教授，研究员，博士生导师，组织工程国家工程研究中心常务副主任，国家十三五重点研发项目首席科学家，多项国家863、973项目/课题负责人，教育部新世纪优秀人才，泰山学者特聘教授，上海市优秀学科带头人，医学领军人才。