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北航樊瑜波教授、王麗珍教授團(tuán)隊《Nat. Commun.》：新型微創(chuàng)植入式可降解髓核支架及其功能重建研究
2023-07-03  來源：高分子科技

  在大多數(shù)的椎間盤退行性病變中，髓核的病變過程是不可逆的，當(dāng)前臨床治療所使用的脊柱融合術(shù)或椎間盤切除術(shù)由于限制了椎間活動度而極易引發(fā)鄰近節(jié)段病變。組織工程細(xì)胞治療由于可實現(xiàn)修復(fù)退變髓核組織功能而備受關(guān)注，然而目前多采用注射式方法來構(gòu)建，多數(shù)時候難以有效構(gòu)建與自體匹配的力學(xué)環(huán)境，常導(dǎo)致術(shù)后細(xì)胞載體被擠出而造成治療失效。微創(chuàng)植入方式在治療椎間盤髓核退變方面具有潛力，但提供匹配在體髓核力學(xué)支撐性能的支架一直以來是組織工程椎間盤領(lǐng)域的一個關(guān)鍵性挑戰(zhàn)。


  近日，北京航空航天大學(xué)生物力學(xué)與力生物學(xué)教育部重點實驗室、北京市生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心樊瑜波教授、王麗珍教授團(tuán)隊報道了一種新型微創(chuàng)植入式可降解髓核支架（圖1），它能夠通過溫敏形狀記憶聚合物材料實現(xiàn)支架的微創(chuàng)遞送，同時提供匹配在體髓核組織的支撐性能，利用支架所搭載的趨化因子實現(xiàn)自體干細(xì)胞向退變髓核組織的募集同時抑制椎間盤退變進(jìn)程。 


圖1 新型微創(chuàng)植入式可降解髓核支架的特征示意


  研究小組首先對形狀記憶聚合物聚十二烷二酸甘油酯（PGD）進(jìn)行性能調(diào)控（圖2），并結(jié)合實驗及數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)選了彈性模量約1.10 MPa的PGD材料制備髓核支架，使其接近髓核組織在體壓縮模量1.01±0.43 MPa；PGD髓核支架的微創(chuàng)結(jié)構(gòu)則借鑒了黃瓜藤蔓的卷須過程，由于支架材料PGD的轉(zhuǎn)變溫度介于體溫與室溫之間，在室溫下支架呈小截面積的直藤蔓形態(tài)，此時可以通過穿刺椎間盤的空心針被遞送進(jìn)髓核，支架形態(tài)在進(jìn)入髓核腔后受體溫驅(qū)動將在10 s內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榫眄殸，一方面增大的截面積避免了椎間盤在術(shù)后受力下從纖維環(huán)穿刺孔中擠出，另一方面為退變椎間盤提供物理支撐為髓核的組織重建提供空間；隨后借助新西蘭兔腰椎間盤退變模型，從臨床指征、細(xì)胞組成、術(shù)后間盤力學(xué)性能等多方面驗證PGD支架的髓核功能修復(fù)情況，結(jié)果顯示PGD髓核支架能夠在植入后即時提供有效力學(xué)支撐，維持正常椎間高度的約80%（圖3），通過支架載有的基質(zhì)細(xì)胞衍生因子有效招募自體干細(xì)胞進(jìn)入退變髓核內(nèi)（圖4），植入后16周依然能維持初始椎間高度且力學(xué)性能接近正常椎間盤（圖5）。本研究為組織工程退變椎間盤的功能再生提供了新思路，有望進(jìn)一步應(yīng)用于椎間盤退變的臨床治療中。 


圖2 通過材料合成參數(shù)調(diào)控PGD材料的形狀記憶及力學(xué)性能以匹配髓核植入需求 


圖3 PGD髓核支架組及透明質(zhì)酸支架組、假手術(shù)組間在植入兔腰椎間盤后16周期間椎間盤高度及髓核核磁信號變化的情況 


圖4 PGD髓核支架組及透明質(zhì)酸支架組、假手術(shù)組、正常組間在植入兔腰椎間盤后髓核及其周圍組織內(nèi)細(xì)胞形態(tài)及組成 


圖5 PGD髓核支架組及透明質(zhì)酸支架組、假手術(shù)組、正常組間在植入兔腰椎間盤16周后的力學(xué)性能比較


  該研究以“Innovative design of minimal invasive biodegradable poly(glycerol-dodecanoate) nucleus pulposus scaffold with function regeneration”為題發(fā)表于Nature子刊，著名綜合性期刊《Nature Communications》上。樊瑜波教授為該文的唯一通訊作者，王麗珍教授及其指導(dǎo)的博士研究生靳凱翔為該論文的共同第一作者，北京航空航天大學(xué)為第一完成單位。


  該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項目（T2288101）等研究經(jīng)費資助。


  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39604-0

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