仿生关节的作用，仿生关节设计

受损的关节能用一刷“油漆”恢复原状吗？如果人体是一台机器，那么随着年龄的增长，关节软骨就会磨损，就像汽车上的油漆剥落一样，磨损会更加严重。去除汽车上的油漆相对容易，您所需要做的就是涂上一层新油漆，使其看起来像新的一样。那么，有没有可能设计出一种“涂料”，只需“喷涂”就能将磨损的关节软骨恢复到“良好状态”呢？近日，浙江大学基础医学系欧阳宏伟教授带领团队研发出“关节涂料”。当细胞与涂料接触并吸收后，新的软骨就诞生了。受损的关节也可以修复，这个过程只需三到四个星期。

图片|欧阳宏伟（来源：资料图）

10月27日，相关论文《仿生关节油漆对猪软骨退变和再生的同时调控》（Biomimetic Joint Paint for effective cartilage Repair by Simulate软骨退化和再生）发表在ACS Applied Materials Interfaces上。浙江大学第四附属医院著名研究员。魏伟为第一作者，欧阳宏伟为通讯作者[1]。

图片|薇薇（来源：薇薇）

骨关节炎是最常见的关节疾病之一，其临床表现主要是关节软骨缺损。软骨是一种特殊的组织，没有血管和淋巴液，一旦出现缺陷，就很难修复。因此，在临床治疗中，该病面临着不规则、广泛的非全层软骨缺损难以修复的问题。

图| 相关论文（来源：ACS Applied Materials Interfaces）

图| 相关论文（来源：ACS Applied Materials Interfaces）

该团队开发的“Joint Paint”有望解决上述问题。以兔子和猪的实验为例，经过“油漆”处理后，兔子和猪先前受损的软骨表面不仅顺利恢复，而且糖胺聚糖含量也保持正常。（糖胺聚糖：主要存在于杂多糖中）高等结缔组织动物）。其原理是抑制软骨细胞凋亡，维持软骨细胞表型，并保留某些软骨缺损处的糖胺聚糖含量。据研究小组所知，这是第一种用于治疗关节软骨缺损的含有仿生成分的组织粘合剂。

（来源：ACS 应用材料界面）

“魔漆” 据介绍，“关节漆”由硫酸软骨素、明胶交联层和透明质酸凝胶层组成，通过光固化可以快速牢固地粘附在软骨缺损处。近年来，甲基丙烯酸明胶已成为生物材料研究的热点。在这项研究中，我们发现其光交联特性和生物相容性使其适合在身体缺陷周围原位形成水凝胶。但由于两者分子结构相似，无法与软骨表面发生化学键合，导致附着力不足。我们如何克服这个问题呢？连接软骨和水凝胶的交联聚合物是一种可能的解决方案。硫酸软骨素是一种带负电荷的蛋白多糖，广泛存在于天然软骨的细胞外基质中。先前的研究表明，硫酸软骨素分子可以经过化学修饰并与软骨表面丰富的氨基结合，使其成为合理的交联聚合物。在研究人员的设计中，当硫酸软骨素醛应用于软骨表面时，醛基与软骨中的氨基发生反应，形成亚胺基键。

粘附6小时后，细胞数量显着增加，为了模仿天然软骨成分，研究团队将透明质酸掺入甲基丙烯酸明胶中，形成半互穿网络结构。在这个网络中，前者保持其生物特性，后者保持其机械强度。由于“接缝漆”的弹性性能来源于上述两种材料，因此可以根据两种材料的压缩弹性模量估算其压缩弹性模量，约为6.550.63kPa。这些压缩测试证实“涂料”具有软骨组织工程所需的弹性特性。维持软骨细胞表型对于软骨再生很重要。为了了解“关节漆”成分对细胞表型的影响，我们在材料表面培养人类软骨细胞，并通过实时荧光定量聚合酶链。该反应检测并测试基因表达。

（来源：ACS 应用材料界面）

先前的研究表明，透明质酸或硫酸软骨素可能有益于维持软骨细胞表型。因此，他们将甲基丙烯酸明胶与透明质酸和硫酸软骨素结合使用，发现这实际上促进了软骨细胞中的基因表达并提供了稳定的机械强度。具体来说，他们首先研究了透明质酸浓度对软骨细胞表型的影响。结果显示，随着透明质酸浓度的增加，软骨细胞中COL2A1基因的表达水平也随之增加。接下来，我们研究了硫酸软骨素浓度对软骨细胞表型的影响，发现实验组培养7天后，聚集蛋白聚糖和SOX9（基因基因）的表达水平显着升高，且聚集蛋白聚糖和SOX9的表达水平显着升高。 SOX9（遗传基因）显着增加，表明硫酸软骨素浓度有影响。 -醛在细胞表型中发挥积极作用。

（来源：ACS 应用材料界面）

由于干细胞粘附可能有利于软骨再生，因此这项研究使用人类脂肪来源的基质细胞来研究软骨和“关节漆”的细胞粘附能力。与骨髓间充质干细胞相比，脂肪来源的基质细胞更能调节炎症，可能是治疗骨关节炎的合适细胞来源。接下来，研究人员用“关节漆”对猪软骨进行预处理，并在六个小时后观察粘附情况。 “关节漆”表面的细胞数量与天然软骨表面的细胞相比显着增加。为了进一步研究“关节漆”的细胞相容性，研究团队对细胞培养板进行包被，并采用相应的方法评价“关节漆”的生物活性。培养1天和4天后，发现培养的细胞的存活率与常规细胞培养板上的细胞相同，并且死亡细胞较少。这些结果表明“Joint Paint”具有高度的细胞相容性并促进干细胞粘附。

粘附力平均保持136天。为了定量测试“粘合涂料”与组织之间的粘合强度，团队根据美国测试与材料协会生物医学粘合标准进行了搭接剪切强度和爆破压力测试。结果显示，在交联聚合物硫酸软骨素醛的帮助下，“接缝漆”的爆破压力从17.63.2kPa增加到34.37.3kPa，这与研究团队此前得出的数值一致。开发的止血水凝剂。相当大的粘合强度。

（来源：ACS 应用材料界面）

此外，他们还研究了猪软骨“关节漆”的体外尺寸稳定性。具体流程如下。首先，在猪软骨上形成表面缺损，将硫酸软骨素醛涂抹于缺损部位，5分钟后用纱布除去。然后涂上甲基丙烯酸明胶/透明质酸，并暴露在特定的紫外线下，形成表面光滑的弹性水凝胶。在治疗有缺陷的软骨后，曲率恢复了。

（来源：ACS 应用材料界面）

研究小组随后分离出了含有该材料的软骨，并将其用于进一步的研究。然后，他们使用场发射扫描电子显微镜观察到关节涂料牢固地粘附在软骨上。扫描电子显微镜图像显示关节涂层和软骨清晰、薄薄的融合，没有裂缝。为了测量这些粘连的保留时间，研究人员在4C 的磷酸盐缓冲液中摇动关节软骨。经证实，涂有“关节漆”的凝胶膜的粘附力平均持续136天，比不含软骨素醛的硫酸（甲基丙烯酸明胶/透明质酸）长6倍。值得注意的是，在4 个月的评估期间，凝胶膜保持弹性、表面光滑，并且完全附着在软骨上。

为了验证植入后八周内完全降解的“关节漆”的生物相容性和生物降解性，研究团队在硫酸软骨素醛交联层上涂上甲基丙烯酸明胶/透明质酸水凝胶薄膜，并在大鼠体内进行测试。皮下。 1、2、4和8周后收集植入物和周围组织。为了定量检查降解情况，将植入物小心地从组织中取出并在冻干后称重。结果发现，“关节漆”随着时间的推移而降解，并在八周的植入期内完全降解。然后，研究小组在植入物和周围组织的组织切片上使用苏木精和伊红染色溶液来评估生物相容性。在植入的第一周，观察到种植体周围的炎症细胞，但随着时间的推移这些细胞逐渐消失，宿主组织随着种植体的降解而逐渐生长。这一观察结果表明，植入开始时的急性炎症反应会随着时间的推移而消退，这表明“关节漆”是可生物降解的且具有生物相容性。

软骨健康，与假手术组相似为了研究关节涂料的修复效果，研究团队以被公认为模型动物的新西兰大白兔为研究对象，使用了“关节涂料”，它在软骨表面发生光聚合作用在缺陷区域并当场硬化。

（来源：ACS 应用材料界面）

然后在应用“关节漆”后6周和12周对各组进行检查，并通过宏观观察和组织学分析进行评估。在“关节漆”治疗组中，新形成的组织纤维填充了大部分缺损，软骨看起来很健康，与假手术组类似。

（来源：ACS 应用材料界面）

此外，研究显示，经过“Joint Paint”治疗后，软骨细胞凋亡显着减少，可以防止受损软骨中的软骨细胞凋亡。

（来源：ACS 应用材料界面）

为了更好地模拟人体软骨情况，研究团队使用了更大的动物模型————猪，进一步研究“关节漆”对急性软骨缺损的保护功能。我们发现，“Joint Paint”治疗组的缺损区域出现了填充组织，而未治疗组的缺损仍然清晰可见。此外，体外细胞研究表明“Joint Paint”与人类干细胞高度相容，表明在体内使用时具有再生潜力。据介绍，欧阳宏伟是浙江大学求是特聘教授、国家自然科学基金创新研究群体项目负责人、中国生物医学工程学会组织工程与再生医学分会主任委员。也是同伙。他是美国医学与生物工程院院士、国际骨科协作研究协会院士，在运动损伤修复与再生方面有着悠久的研究历史，谷歌学术h指数为62，i10索引.我是.入选斯坦福大学公布的“2020年世界顶尖科学家前2%”之一。制定了两项国家行业标准和一项卫生部管理规范，开展了国内首例临床关节软骨组织移植手术，开展了国际首例蚕丝医用材料临床多中心随机对照研究，在国内第一个获得了临床标准。蚕丝材质的III类医疗器械认证。作为第一完成人，获得省、省级科学技术奖一等奖三项。 2012年，他带领团队创建了我国第一个生物医学专业，并入选全国顶尖院系首批重大建设点。该论文第一作者魏伟先生毕业于南京理工大学高分子材料工程系，获学士学位，并于2011年保送南京理工大学硕士研究生。和一个博士课程。 2016年至2017年在哈佛医学院联合博士生师从Ali Khademhosseini教授，主要从事纳米材料、骨组织再生、3D打印等研究。 2018年至2020年在欧阳宏伟教授课题组从事博士后研究。主要主题是骨关节炎软骨缺损的再生和组织粘合水凝胶的开发。 Google Scholar h指数为25，i10指数为29。2021年起任浙江大学医学院附属第四医院特聘研究员。对于未来，团队表示将继续深入研究“关节漆”，积极推动项目转型，还将作为决赛，对入围项目之一进行路演。团队希望打造一家人体“零件”4S店，修复人体损伤。 -结束参考：1. Wei Wei. et al.ACS Appl Mater Interfaces. 2021Nov 24;13(46):54801-54816. doi: 10.1021/acsami.1c17629