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欧阳宏伟团队Nat Comm发文报道丝素蛋白“半月板胶水”迭代半月板损伤治疗

时间:2024-04-01 阅读量:10 发布者: 来源:浙江大学爱丁堡大学联合学院

半月板撕裂是临床常见的膝关节疾病,给人们带来疼痛和运动障碍。半月板是膝关节内的半月形纤维软骨结构,在膝关节运动中起力学缓冲、维持稳定和保护关节的作用。然而,半月板缺乏再生能力,一旦发生撕裂等损伤,难以自我修复。故寻找半月板撕裂修复策略一直是膝关节乃至运动系统疾病治疗领域中亟待解决的关键难题。

欧阳宏伟教授团队围绕蚕丝医用材料开展了系列开拓性工作,最近基于长期的蚕丝医用材料研究,设计了新型“半月板胶水”材料,用于半月板撕裂的修复和再生。“半月板胶水”具有易于使用、对组织无创、促进组织再生等优点,有希望改变半月板的常规切除或缝线缝合治疗,“半月板胶水”的修复新策略既能保留自体半月板组织完整性,又能保证撕裂的半月板组织紧密粘连直至愈合。目前,该工作以“Silk Fibroin Hydrogel Adhesive Enables Sealed-tight Reconstruction of Meniscus Tears”为题发表于《Nature Communications》。原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-47029-6


作者从强黏附和促进再生的角度设计“半月板胶水”,研发了一种全新的丝素蛋白基生物胶水,在丝素蛋白水凝胶中引入定制化离子液体促进β折叠和超分子网络的形成,进而提高生物胶水的自体强度和黏附能力,该生物胶水还有着优异的抗溶胀和抗疲劳性能,同时通过引入的氧化还原响应基团能调节半月板撕裂处的炎症环境促进半月板的修复,并通过持续释放TGF-β1以促进半月板缺陷边缘的桥接和再生。研究通过兔半月板撕裂模型验证,发现该生物胶水能够促进撕裂半月板的黏合和重建,证实了生物胶水策略修复半月板撕裂的可行性(图1)。

1 基于丝素蛋白的生物胶水的构建和性质及其修复半月板撕裂的示意图


该研究通过甲基丙烯酸缩水甘油酯改性丝素蛋白制备SFMA,创新性地合成了定制化离子液体PIL,发现混合溶液在5s内即可成胶,满足了生物胶水快速固化的要求,进一步表征发现随着离子液体用量的增加,生物胶水中的β折叠成分占比上升(图2)。把定制化离子液体引入到丝素蛋白水凝胶中,其湿面黏附能力、抗溶胀和抗疲劳等性能都得到了显著提升(图3)。


2 SFMAPILS-PIL系列生物胶水的合成和表征


3 生物胶水的机械性能


该半月板胶水有着良好的生物相容性,通过缓释胶水内的生长因子上调相关基因(Sox9Col2a1Acan)的表达。此外,半月板胶水中的苯硼酸酯基团能够清除ROS,调节炎症微环境,有利于半月板再生(图4)。

4 生物胶水的生物学功能


作者在新西兰大白兔的半月板白区撕裂模型上对该生物胶水的修复能力进行了验证,术后八周进行收样观察,采用了该研究的生物胶水修复的半月板肉眼已观察不到撕裂,实现了缺陷边缘的桥接和再生,组织学切片染色进一步证实了强黏附和再生性能在半月板撕裂修复中的重要作用(图5)。

5 生物胶水对兔半月板(白区)撕裂的修复


综上所述,该研究提出的生物胶水修复半月板撕裂的全新策略,克服了缝合和切除的再生难题,并保留了自体半月板组织完整性,有望为半月板撕裂的原位胶体粘合修复提供一种新材料和新临床手段。


浙江大学爱丁堡大学联合学院博士后(ZJE)潘夕郝为本文的第一作者,ZJE硕士李瑞和ZJE博士生李雯玥为共同一作,通讯作者为浙江大学欧阳宏伟教授。该研究得到了国家重点研发计划(2023YFE0206700)和博士后创新人才支持计划(BX20220266)的资助。


潘夕郝博士毕业于南京理工大学化工学院,20219月加入ZJE从事博士后研究,导师为欧阳宏伟教授。博士后研究方向为半月板损伤再生及丝素蛋白材料的设计,入选2022年度博士后创新人才支持计划。