受損的關(guān)節(jié)能用一刷“油漆”恢復(fù)原狀嗎？如果人體是一臺機器，那么隨著年齡的增長，關(guān)節(jié)軟骨就會磨損，就像汽車上的油漆剝落一樣，磨損會更加嚴重。去除汽車上的油漆相對容易，您所需要做的就是涂上一層新油漆，使其看起來像新的一樣。那么，有沒有可能設(shè)計出一種“涂料”，只需“噴涂”就能將磨損的關(guān)節(jié)軟骨恢復(fù)到“良好狀態(tài)”呢？近日，浙江大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系歐陽宏偉教授帶領(lǐng)團隊研發(fā)出“關(guān)節(jié)涂料”。當細胞與涂料接觸并吸收后，新的軟骨就誕生了。受損的關(guān)節(jié)也可以修復(fù)，這個過程只需三到四個星期。

圖片|歐陽宏偉（來源：資料圖）

10月27日，相關(guān)論文《仿生關(guān)節(jié)油漆對豬軟骨退變和再生的同時調(diào)控》（Biomimetic Joint Paint for effective cartilage Repair by Simulate軟骨退化和再生）發(fā)表在ACS Applied Materials Interfaces上。浙江大學(xué)第四附屬醫(yī)院著名研究員。魏偉為第一作者，歐陽宏偉為通訊作者[1]。

圖片|薇薇（來源：薇薇）

骨關(guān)節(jié)炎是最常見的關(guān)節(jié)疾病之一，其臨床表現(xiàn)主要是關(guān)節(jié)軟骨缺損。軟骨是一種特殊的組織，沒有血管和淋巴液，一旦出現(xiàn)缺陷，就很難修復(fù)。因此，在臨床治療中，該病面臨著不規(guī)則、廣泛的非全層軟骨缺損難以修復(fù)的問題。

圖| 相關(guān)論文（來源：ACS Applied Materials Interfaces）

圖| 相關(guān)論文（來源：ACS Applied Materials Interfaces）

該團隊開發(fā)的“Joint Paint”有望解決上述問題。以兔子和豬的實驗為例，經(jīng)過“油漆”處理后，兔子和豬先前受損的軟骨表面不僅順利恢復(fù)，而且糖胺聚糖含量也保持正常。（糖胺聚糖：主要存在于雜多糖中）高等結(jié)締組織動物）。其原理是抑制軟骨細胞凋亡，維持軟骨細胞表型，并保留某些軟骨缺損處的糖胺聚糖含量。據(jù)研究小組所知，這是第一種用于治療關(guān)節(jié)軟骨缺損的含有仿生成分的組織粘合劑。

（來源：ACS 應(yīng)用材料界面）

“魔漆” 據(jù)介紹，“關(guān)節(jié)漆”由硫酸軟骨素、明膠交聯(lián)層和透明質(zhì)酸凝膠層組成，通過光固化可以快速牢固地粘附在軟骨缺損處。近年來，甲基丙烯酸明膠已成為生物材料研究的熱點。在這項研究中，我們發(fā)現(xiàn)其光交聯(lián)特性和生物相容性使其適合在身體缺陷周圍原位形成水凝膠。但由于兩者分子結(jié)構(gòu)相似，無法與軟骨表面發(fā)生化學(xué)鍵合，導(dǎo)致附著力不足。我們?nèi)绾慰朔�這個問題呢？連接軟骨和水凝膠的交聯(lián)聚合物是一種可能的解決方案。硫酸軟骨素是一種帶負電荷的蛋白多糖，廣泛存在于天然軟骨的細胞外基質(zhì)中。先前的研究表明，硫酸軟骨素分子可以經(jīng)過化學(xué)修飾并與軟骨表面豐富的氨基結(jié)合，使其成為合理的交聯(lián)聚合物。在研究人員的設(shè)計中，當硫酸軟骨素醛應(yīng)用于軟骨表面時，醛基與軟骨中的氨基發(fā)生反應(yīng)，形成亞胺基鍵。

粘附6小時后，細胞數(shù)量顯著增加，為了模仿天然軟骨成分，研究團隊將透明質(zhì)酸摻入甲基丙烯酸明膠中，形成半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這個網(wǎng)絡(luò)中，前者保持其生物特性，后者保持其機械強度。由于“接縫漆”的彈性性能來源于上述兩種材料，因此可以根據(jù)兩種材料的壓縮彈性模量估算其壓縮彈性模量，約為6.550.63kPa。這些壓縮測試證實“涂料”具有軟骨組織工程所需的彈性特性。維持軟骨細胞表型對于軟骨再生很重要。為了了解“關(guān)節(jié)漆”成分對細胞表型的影響，我們在材料表面培養(yǎng)人類軟骨細胞，并通過實時熒光定量聚合酶鏈。該反應(yīng)檢測并測試基因表達。

（來源：ACS 應(yīng)用材料界面）

先前的研究表明，透明質(zhì)酸或硫酸軟骨素可能有益于維持軟骨細胞表型。因此，他們將甲基丙烯酸明膠與透明質(zhì)酸和硫酸軟骨素結(jié)合使用，發(fā)現(xiàn)這實際上促進了軟骨細胞中的基因表達并提供了穩(wěn)定的機械強度。具體來說，他們首先研究了透明質(zhì)酸濃度對軟骨細胞表型的影響。結(jié)果顯示，隨著透明質(zhì)酸濃度的增加，軟骨細胞中COL2A1基因的表達水平也隨之增加。接下來，我們研究了硫酸軟骨素濃度對軟骨細胞表型的影響，發(fā)現(xiàn)實驗組培養(yǎng)7天后，聚集蛋白聚糖和SOX9（基因基因）的表達水平顯著升高，且聚集蛋白聚糖和SOX9的表達水平顯著升高。 SOX9（遺傳基因）顯著增加，表明硫酸軟骨素濃度有影響。 -醛在細胞表型中發(fā)揮積極作用。

（來源：ACS 應(yīng)用材料界面）

由于干細胞粘附可能有利于軟骨再生，因此這項研究使用人類脂肪來源的基質(zhì)細胞來研究軟骨和“關(guān)節(jié)漆”的細胞粘附能力。與骨髓間充質(zhì)干細胞相比，脂肪來源的基質(zhì)細胞更能調(diào)節(jié)炎癥，可能是治療骨關(guān)節(jié)炎的合適細胞來源。接下來，研究人員用“關(guān)節(jié)漆”對豬軟骨進行預(yù)處理，并在六個小時后觀察粘附情況。 “關(guān)節(jié)漆”表面的細胞數(shù)量與天然軟骨表面的細胞相比顯著增加。為了進一步研究“關(guān)節(jié)漆”的細胞相容性，研究團隊對細胞培養(yǎng)板進行包被，并采用相應(yīng)的方法評價“關(guān)節(jié)漆”的生物活性。培養(yǎng)1天和4天后，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)的細胞的存活率與常規(guī)細胞培養(yǎng)板上的細胞相同，并且死亡細胞較少。這些結(jié)果表明“Joint Paint”具有高度的細胞相容性并促進干細胞粘附。

粘附力平均保持136天。為了定量測試“粘合涂料”與組織之間的粘合強度，團隊根據(jù)美國測試與材料協(xié)會生物醫(yī)學(xué)粘合標準進行了搭接剪切強度和爆破壓力測試。結(jié)果顯示，在交聯(lián)聚合物硫酸軟骨素醛的幫助下，“接縫漆”的爆破壓力從17.63.2kPa增加到34.37.3kPa，這與研究團隊此前得出的數(shù)值一致。開發(fā)的止血水凝劑。相當大的粘合強度。

（來源：ACS 應(yīng)用材料界面）

此外，他們還研究了豬軟骨“關(guān)節(jié)漆”的體外尺寸穩(wěn)定性。具體流程如下。首先，在豬軟骨上形成表面缺損，將硫酸軟骨素醛涂抹于缺損部位，5分鐘后用紗布除去。然后涂上甲基丙烯酸明膠/透明質(zhì)酸，并暴露在特定的紫外線下，形成表面光滑的彈性水凝膠。在治療有缺陷的軟骨后，曲率恢復(fù)了。

（來源：ACS 應(yīng)用材料界面）

研究小組隨后分離出了含有該材料的軟骨，并將其用于進一步的研究。然后，他們使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察到關(guān)節(jié)涂料牢固地粘附在軟骨上。掃描電子顯微鏡圖像顯示關(guān)節(jié)涂層和軟骨清晰、薄薄的融合，沒有裂縫。為了測量這些粘連的保留時間，研究人員在4C 的磷酸鹽緩沖液中搖動關(guān)節(jié)軟骨。經(jīng)證實，涂有“關(guān)節(jié)漆”的凝膠膜的粘附力平均持續(xù)136天，比不含軟骨素醛的硫酸（甲基丙烯酸明膠/透明質(zhì)酸）長6倍。值得注意的是，在4 個月的評估期間，凝膠膜保持彈性、表面光滑，并且完全附著在軟骨上。

為了驗證植入后八周內(nèi)完全降解的“關(guān)節(jié)漆”的生物相容性和生物降解性，研究團隊在硫酸軟骨素醛交聯(lián)層上涂上甲基丙烯酸明膠/透明質(zhì)酸水凝膠薄膜，并在大鼠體內(nèi)進行測試。皮下。 1、2、4和8周后收集植入物和周圍組織。為了定量檢查降解情況，將植入物小心地從組織中取出并在凍干后稱重。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“關(guān)節(jié)漆”隨著時間的推移而降解，并在八周的植入期內(nèi)完全降解。然后，研究小組在植入物和周圍組織的組織切片上使用蘇木精和伊紅染色溶液來評估生物相容性。在植入的第一周，觀察到種植體周圍的炎癥細胞，但隨著時間的推移這些細胞逐漸消失，宿主組織隨著種植體的降解而逐漸生長。這一觀察結(jié)果表明，植入開始時的急性炎癥反應(yīng)會隨著時間的推移而消退，這表明“關(guān)節(jié)漆”是可生物降解的且具有生物相容性。

軟骨健康，與假手術(shù)組相似為了研究關(guān)節(jié)涂料的修復(fù)效果，研究團隊以被公認為模型動物的新西蘭大白兔為研究對象，使用了“關(guān)節(jié)涂料”，它在軟骨表面發(fā)生光聚合作用在缺陷區(qū)域并當場硬化。

（來源：ACS 應(yīng)用材料界面）

然后在應(yīng)用“關(guān)節(jié)漆”后6周和12周對各組進行檢查，并通過宏觀觀察和組織學(xué)分析進行評估。在“關(guān)節(jié)漆”治療組中，新形成的組織纖維填充了大部分缺損，軟骨看起來很健康，與假手術(shù)組類似。

（來源：ACS 應(yīng)用材料界面）

此外，研究顯示，經(jīng)過“Joint Paint”治療后，軟骨細胞凋亡顯著減少，可以防止受損軟骨中的軟骨細胞凋亡。

（來源：ACS 應(yīng)用材料界面）

為了更好地模擬人體軟骨情況，研究團隊使用了更大的動物模型————豬，進一步研究“關(guān)節(jié)漆”對急性軟骨缺損的保護功能。我們發(fā)現(xiàn)，“Joint Paint”治療組的缺損區(qū)域出現(xiàn)了填充組織，而未治療組的缺損仍然清晰可見。此外，體外細胞研究表明“Joint Paint”與人類干細胞高度相容，表明在體內(nèi)使用時具有再生潛力。據(jù)介紹，歐陽宏偉是浙江大學(xué)求是特聘教授、國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目負責人、中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會組織工程與再生醫(yī)學(xué)分會主任委員。也是同伙。他是美國醫(yī)學(xué)與生物工程院院士、國際骨科協(xié)作研究協(xié)會院士，在運動損傷修復(fù)與再生方面有著悠久的研究歷史，谷歌學(xué)術(shù)h指數(shù)為62，i10索引.我是.入選斯坦福大學(xué)公布的“2020年世界頂尖科學(xué)家前2%”之一。制定了兩項國家行業(yè)標準和一項衛(wèi)生部管理規(guī)范，開展了國內(nèi)首例臨床關(guān)節(jié)軟骨組織移植手術(shù)，開展了國際首例蠶絲醫(yī)用材料臨床多中心隨機對照研究，在國內(nèi)第一個獲得了臨床標準。蠶絲材質(zhì)的III類醫(yī)療器械認證。作為第一完成人，獲得省、省級科學(xué)技術(shù)獎一等獎三項。 2012年，他帶領(lǐng)團隊創(chuàng)建了我國第一個生物醫(yī)學(xué)專業(yè)，并入選全國頂尖院系首批重大建設(shè)點。該論文第一作者魏偉先生畢業(yè)于南京理工大學(xué)高分子材料工程系，獲學(xué)士學(xué)位，并于2011年保送南京理工大學(xué)碩士研究生。和一個博士課程。 2016年至2017年在哈佛醫(yī)學(xué)院聯(lián)合博士生師從Ali Khademhosseini教授，主要從事納米材料、骨組織再生、3D打印等研究。 2018年至2020年在歐陽宏偉教授課題組從事博士后研究。主要主題是骨關(guān)節(jié)炎軟骨缺損的再生和組織粘合水凝膠的開發(fā)。 Google Scholar h指數(shù)為25，i10指數(shù)為29。2021年起任浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第四醫(yī)院特聘研究員。對于未來，團隊表示將繼續(xù)深入研究“關(guān)節(jié)漆”，積極推動項目轉(zhuǎn)型，還將作為決賽，對入圍項目之一進行路演。團隊希望打造一家人體“零件”4S店，修復(fù)人體損傷。 -結(jié)束參考：1. Wei Wei. et al.ACS Appl Mater Interfaces. 2021Nov 24;13(46):54801-54816. doi: 10.1021/acsami.1c17629