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(tái)機(jī)器，那么隨著年齡的增長(zhǎng)，關(guān)節(jié)軟骨就會(huì)磨損，就像汽車上的油漆剝落一樣，磨損會(huì)更加嚴(yán)重。去除汽車上的油漆相對(duì)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(jì)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(tuán)隊(duì)研發(fā)出“關(guān)節(jié)涂料”。當(dāng)細(xì)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(gè)過程只需三到四個(gè)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(duì)豬軟骨退變和再生的同時(shí)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(tuán)隊(duì)開發(fā)的“Joint Paint”有望解決上述問題。以兔子和豬的實(shí)驗(yàn)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(dòng)物）。其原理是抑制軟骨細(xì)胞凋亡，維持軟骨細(xì)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(diǎn)。在這項(xiàng)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(gè)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(fù)電荷的蛋白多糖，廣泛存在于天然軟骨的細(xì)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(jì)中，當(dāng)硫酸軟骨素醛應(yīng)用于軟骨表面時(shí)，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(shí)后，細(xì)胞數(shù)量顯著增加，為了模仿天然軟骨成分，研究團(tuán)隊(duì)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(gè)網(wǎng)絡(luò)中，前者保持其生物特性，后者保持其機(jī)械強(qiáng)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(cè)試證實(shí)“涂料”具有軟骨組織工程所需的彈性特性。維持軟骨細(xì)胞表型對(duì)于軟骨再生很重要。為了了解“關(guān)節(jié)漆”成分對(duì)細(xì)胞表型的影響，我們?cè)诓牧媳砻媾囵B(yǎng)人類軟骨細(xì)胞，并通過實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈。該反應(yīng)檢測(cè)并測(cè)試基因表達(dá)。

（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(xì)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(shí)際上促進(jìn)了軟骨細(xì)胞中的基因表達(dá)并提供了穩(wěn)定的機(jī)械強(qiáng)度。具體來說，他們首先研究了透明質(zhì)酸濃度對(duì)軟骨細(xì)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(xì)胞中COL2A1基因的表達(dá)水平也隨之增加。接下來，我們研究了硫酸軟骨素濃度對(duì)軟骨細(xì)胞表型的影響，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)7天后，聚集蛋白聚糖和SOX9（基因基因）的表達(dá)水平顯著升高，且聚集蛋白聚糖和SOX9的表達(dá)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(xì)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(xì)胞粘附可能有利于軟骨再生，因此這項(xiàng)研究使用人類脂肪來源的基質(zhì)細(xì)胞來研究軟骨和“關(guān)節(jié)漆”的細(xì)胞粘附能力。與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞相比，脂肪來源的基質(zhì)細(xì)胞更能調(diào)節(jié)炎癥，可能是治療骨關(guān)節(jié)炎的合適細(xì)胞來源。接下來，研究人員用“關(guān)節(jié)漆”對(duì)豬軟骨進(jìn)行預(yù)處理，并在六個(gè)小時(shí)后觀察粘附情況。 “關(guān)節(jié)漆”表面的細(xì)胞數(shù)量與天然軟骨表面的細(xì)胞相比顯著增加。為了進(jìn)一步研究“關(guān)節(jié)漆”的細(xì)胞相容性，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)板進(jìn)行包被，并采用相應(yīng)的方法評(píng)價(jià)“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(xì)胞的存活率與常規(guī)細(xì)胞培養(yǎng)板上的細(xì)胞相同，并且死亡細(xì)胞較少。這些結(jié)果表明“Joint Paint”具有高度的細(xì)胞相容性并促進(jìn)干細(xì)胞粘附。

粘附力平均保持136天。為了定量測(cè)試“粘合涂料”與組織之間的粘合強(qiáng)度，團(tuán)隊(duì)根據(jù)美國(guó)測(cè)試與材料協(xié)會(huì)生物醫(yī)學(xué)粘合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了搭接剪切強(qiáng)度和爆破壓力測(cè)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(tuán)隊(duì)此前得出的數(shù)值一致。開發(fā)的止血水凝劑。相當(dāng)大的粘合強(qiáng)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(jìn)一步的研究。然后，他們使用場(chǎng)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(cè)量這些粘連的保留時(shí)間，研究人員在4C 的磷酸鹽緩沖液中搖動(dòng)關(guān)節(jié)軟骨。經(jīng)證實(shí)，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(zhǎng)6倍。值得注意的是，在4 個(gè)月的評(píng)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(yàn)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(tuán)隊(duì)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(jìn)行測(cè)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(shí)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(píng)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(xì)胞，但隨著時(shí)間的推移這些細(xì)胞逐漸消失，宿主組織隨著種植體的降解而逐漸生長(zhǎng)。這一觀察結(jié)果表明，植入開始時(shí)的急性炎癥反應(yīng)會(huì)隨著時(shí)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(tuán)隊(duì)以被公認(rèn)為模型動(dòng)物的新西蘭大白兔為研究對(duì)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(dāng)場(chǎng)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(duì)各組進(jìn)行檢查，并通過宏觀觀察和組織學(xué)分析進(jìn)行評(píng)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(xì)胞凋亡顯著減少，可以防止受損軟骨中的軟骨細(xì)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(tuán)隊(duì)使用了更大的動(dòng)物模型————豬，進(jìn)一步研究“關(guān)節(jié)漆”對(duì)急性軟骨缺損的保護(hù)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(xì)胞研究表明“Joint Paint”與人類干細(xì)胞高度相容，表明在體內(nèi)使用時(shí)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(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)組織工程與再生醫(yī)學(xué)分會(huì)主任委員。也是同伙。他是美國(guó)醫(yī)學(xué)與生物工程院院士、國(guó)際骨科協(xié)作研究協(xié)會(huì)院士，在運(yùn)動(dòng)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(xiàng)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和一項(xiàng)衛(wèi)生部管理規(guī)范，開展了國(guó)內(nèi)首例臨床關(guān)節(jié)軟骨組織移植手術(shù)，開展了國(guó)際首例蠶絲醫(yī)用材料臨床多中心隨機(jī)對(duì)照研究，在國(guó)內(nèi)第一個(gè)獲得了臨床標(biāo)準(zhǔn)。蠶絲材質(zhì)的III類醫(yī)療器械認(rèn)證。作為第一完成人，獲得省、省級(jí)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)三項(xiàng)。 2012年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了我國(guó)第一個(gè)生物醫(yī)學(xué)專業(yè)，并入選全國(guó)頂尖院系首批重大建設(shè)點(diǎn)。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(gè)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(duì)于未來，團(tuán)隊(duì)表示將繼續(xù)深入研究“關(guān)節(jié)漆”，積極推動(dòng)項(xiàng)目轉(zhuǎn)型，還將作為決賽，對(duì)入圍項(xiàng)目之一進(jìn)行路演。團(tuán)隊(duì)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