我校西南医院邹强教授团队在《Biomaterials》上发表研究成果
发布人:wuph 发布时间:2017/9/29 10:59:21  浏览次数:274次
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用于椎间盘髓核再生修复的高韧性互穿网络水凝胶

甘翼搏,周强

椎间盘退行性疾病是以椎间盘髓核退变为核心病理变化的脊柱高发疾患,因严重影响患者的生活质量和劳动力而成为日益突出的社会健康问题。由于髓核的胞外基质退变而导致的生物力学功能丧失是椎间盘退行性疾病的始动因素,所以,修复退变的髓核是其治疗的关键。但是,髓核缺乏自我再生修复的能力,因此现有临床治疗均以缓解症状为目的,尚无修复病损髓核、重建椎间盘生物力学功能的治疗手段。组织工程技术的迅猛发展为椎间盘髓核的修复展现了新的技术前景,有望实现髓核生物学和力学功能的再造,已成为椎间盘研究领域的前沿热点。其中,研制适宜于髓核的支架材料是攻克困扰髓核组织工程研究重要瓶颈问题的关键,以此来仿生重建髓核组织、从结构和功能上修复治疗椎间盘退行性疾病具有重要意义。

水凝胶为代表的基质支架材料具有与髓核相类似的流变性能和高亲水性的特点,被认为是组织工程髓核最适宜的支架。然而,目前已有水凝胶支架普遍存在着力学强度不足和组织、细胞相容性匹配不佳的缺陷,加之椎间盘所处的高应力环境,导致了水凝胶移植修复的失败率极高,严重限制了水凝胶在髓核组织工程中的应用。

本论文中,研究人员设计研制了一种具有互穿网络(interpenetrating network, IPN)结构的增强型水凝胶,由软、硬双层网络结构相互交错而形成,其中软网络由明胶、葡聚糖交联形成,硬网络由聚乙二醇构成。通过优化网络结构,使压应力在其内部得以有效的分解,极大强化了其抗压能力。研究发现,该水凝胶在高应变压应力(压缩量85%)以及长期高频率的仿生压应力作用下仍能维持其完整的力学结构,具有良好的力学稳定性。同时,该水凝胶中大量的天然大分子物质为细胞的增殖提供了有效的粘附位点及生长空间,使其具有较高的细胞相容性,髓核细胞在其内部具有良好的细胞活性,维持着天然的类圆形外观与结构,同时高表达重要的胞外基质相关蛋白(extracellular matrix,ECM)——II型胶原及蛋白聚糖,使细胞具有了髓核再生修复的生物学基础。在大鼠尾椎间盘修复实验中,研究人员以IPN水凝胶为载体进行髓核细胞移植,发现植入的细胞可以长期定植于目标椎间盘中,并具有良好的增殖活性。更有说服力的是,运用IPN水凝胶-髓核细胞复合物对巴马香猪退变椎间盘进行活体修复,发现经过修复的椎间盘在术后三月的MRI影像上呈现出“再水化”趋势,椎间隙高度得以有效维持,ECM蛋白表达在髓核中明显增强,形成的组织结构与天然椎间盘类似。因此,高韧性、高生物活性的IPN水凝胶是适用于椎间盘髓核再生修复的组织工程支架材料,本研究为其进一步临床应用奠定了实验基础。

上述研究成果于2017年8月以论著形式发表于材料学顶级期刊《Biomaterials》(2016年影响因子8.402)。该研究的主要完成单位为第三军医大学第一附属医院骨科。博士研究生甘翼搏为第一作者,周强教授为该论文的通讯作者。论文所有工作均在本校独立完成。

 原文下载:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961217303290?via%3Dihub

An interpenetrating network-strengthened and toughened hydrogel that supports cell-based nucleus pulposus regeneration

Yibo Gan a,Pei Li a, Liyuan Wang a, Xiumei Mob, Lei Song a, Yuan Xu c, Chen Zhao a, Bin Ouyang a,

Bing Tu a, Lei Luoa, Linyong Zhu d, Shiwu Dong e, Fuyou Li f, and Qiang Zhou a, *

a National & Regional United Engineering Laboratory of Tissue Engineering, Department of Orthopedics, Southwest Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400038, PR China

b College of Chemistry and Chemical Engineering and Biological Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, PR China

c Department of Orthopedics, Xinqiao Hospital, Third Military Medical University, Chongqing, PR China

d Key Laboratory for Advanced Materials, Institute of Fine Chemicals, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, PR China

e Department of Biomedical Materials Science, School of Biomedical Engineering, Third Military Medical University, Chongqing 400038, PR China

f Department of Chemistry & State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers, Fudan University, Shanghai 200433, PR China

Abstract:Hydrogel is a suitable scaffold for thenucleus pulposus (NP) regeneration. However,its unmatched mechanical properties lead to implant failure in late-stage disc degeneration becauseof structural failureand implant extrusion after long-term compression. In this study, we evaluated an interpenetrating network (IPN)-strengthened and toughened hydrogel for NP regeneration, using dextran and gelatin as the primary network while poly (ethylene glycol) as the secondary network. The aim of this study was to realize the functional NP regeneration using the hydrogel. To achieve this, we optimized its properties by adjusting the mass ratios of the secondary/primary networks and determining the best preparation conditions for NP regeneration in a series of biomechanical, cytocompatibility, tissue engineering, andinvivo. We found the optimal formulation of the IPN hydrogel, at a secondary/primary network ratio of 1:4, exhibited high toughness (the compressive strain reached 86%). The encapsulated NP cells showed increasing proliferation, cell clustering and matrix deposition. Furthermore, the hydrogel could support long-term cell retention and survival in the rat IVDs. It facilitated rehydration and functional regeneration of porcine degenerative NPs. In conclusion, this study demonstrates the toughIPN hydrogel could be a promising candidate for functional disc regeneration in future.

Keywords: Intervertebral disc, Nucleus pulposus, Hydrogel, Interpenetrating network,Minimally invasive surgery, Tissue engineering

 

周强,教授、主任医师、博士生导师,第三军医大学第一附属医院全军矫形外科中心副主任,脊柱外科主任,国家地方联合骨组织工程实验室、全军骨组织工程重点实验室和重庆市骨组织工程实验室副主任。从事组织工程及骨修复材料研究工作20余年。近 5 年来,主持有国家自然基金仪器专项及面上项目、全军重点项目、重庆市重点攻关项目、国际多中心颈椎病外科治疗前瞻性研究和国际AOSpine协会临床研究项目等13项课题;以通讯作者在Biomaterials、Tis Eng、J Orthop Res等SCI期刊上发表论著30篇;授权国家发明专利14件;曾获国家科技进步二等奖1项、军队和重庆市科技进步一等奖2项;作为指导教师获全军优秀博士生论文和重庆市优秀博士生论文各1篇;成功研发了具有自主知识产权的 “智能化仿生组织培育系统”,作为多种组织工程制品的研发平台已实现了市场转化。现任国际AOSpine学会中国区代表;AOSpine North America’s SpineNET Cervical Group 委员;组织工程与再生医学国际协会会员;中国康复医学会骨与关节及风湿病专业委员会委员及脊柱脊髓专业委员会基础研究学组委员;中国医疗保健国际交流促进会骨科疾病防治专业委员会委员等学术职务。

 

甘翼搏,第三军医大学第一附属医院骨科在读博士研究生,西南医院全军优博培养对象。主要研究方向为椎间盘生物力学与组织工程。在读期间已发表SCI论文19篇,其中,以第一作者发表SCI论文3篇。获国家发明专利授权3项。2014年获中华医学会COA骨科基础研究奖。


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