導(dǎo) 語
據(jù)康涅狄格大學(xué)的研究人員在《自然通訊》雜志上發(fā)表的報(bào)告稱，在將來，可能只需要通過注射凝膠即可修復(fù)因活動(dòng)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(dòng)會(huì)磨損我們的關(guān)節(jié)軟骨，直到骨與骨之間進(jìn)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(jìn)軟骨再生，但此種支架仍需手術(shù)進(jìn)行植入。
2、研究概述
在軟骨內(nèi)存在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)或變形時(shí)產(chǎn)生的電流。目前研究已經(jīng)證實(shí)，電刺激可能通過補(bǔ)充受損軟骨中被損壞的電場，從而對(duì)軟骨修復(fù)產(chǎn)生促進(jìn)作用。但由于外源電刺激會(huì)因周圍組織的吸收而顯著減弱，而植入電刺激裝置會(huì)來巨大的感染風(fēng)險(xiǎn)，因此受到限制。壓電材料具有在機(jī)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(xué)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(xué)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(dǎo)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(hào)。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(cè)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(xué)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(yán)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(jìn)細(xì)胞遷移、吸引宿主細(xì)胞并誘導(dǎo)內(nèi)源性生長因子，啟動(dòng)軟骨化過程，并最終引導(dǎo)細(xì)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(gè)體在超聲激活1-2個(gè)月后，缺損內(nèi)的透明軟骨和軟骨下骨顯著再生，具有很強(qiáng)的機(jī)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(gè)月）。紅色圓圈標(biāo)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(duì)此種水凝膠進(jìn)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(shí)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(xiàn)同時(shí)介紹了此種水凝膠的制備以及各特性參數(shù)的測(cè)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(yán)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(tái)，例如可注射壓電致動(dòng)器、傳感器、能量收集器和轉(zhuǎn)換器。因此其不僅對(duì)組織再生工程領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，而且還可能對(duì)其他領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，例如藥物輸送、健康監(jiān)測(cè)和其他疾病的治療與預(yù)防。
參考文獻(xiàn)：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
