多重氢键超分子水凝胶的构建及在软骨再生修复的应用研究
发布时间：2022-01-02 10:11
关节软骨一旦损伤很难自行愈合,如不及时处理,关节软骨基质的降解容易导致骨性关节炎甚至残疾。基于种子细胞、支架、生长因子的软骨组织工程学的发展为软骨再生修复开辟了新的途径。水凝胶由于其具有仿生细胞外基质的性能,已成为一种理想的种子细胞支架材料。然而,传统化学交联的水凝胶支架存在自修复性能弱、生物安全性差以及三维静态网络的形成往往不利于软骨细胞增殖、软骨基质分泌等问题。基于可逆键构建的超分子水凝胶不仅能够仿生细胞外基质的动态粘弹性,还具有独特的可注射、剪切变稀的性能,有利于细胞的友好输送。利用可逆键的断裂与重组,注射后超分子凝胶能够快速实现力学恢复及网络自愈合,有利于细胞的原位固定。此外,超分子水凝胶形成的三维动态微环境对于软骨细胞表型的维持以及软骨特征基质的分泌至关重要。基于此,本论文开展了下列研究:首先,基于四重氢键和温度诱导的疏水自组装协同相互作用,利用双键功能化的脲基-嘧啶酮基团（UPy MA）、温敏单体2-甲基-2-丙烯酸-2-（2-甲氧基乙氧基）乙酯（DEGMA）和双键功能化的透明质酸（HAMA）的自由基聚合,成功制备了基于透明质酸的支化超分子共聚物（HDU）及其功能水凝胶。H...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【图文】：
正常关节软骨的组成（a）[15]和结构（b）[6]
华南理工大学博士学位论文4图1-2软骨损伤传统治疗方法（a）微骨折软骨成形术（b）马赛克软骨成形术[22]Figure1-2Traditionallyavailabletotreatsymptomaticarticularcartilage(a)microfracturechondroplasty(b)mosaicplastychondroplasty[22].为进一步探寻更佳的能够实现透明软骨再生的方法，1994年，瑞典哥德堡医疗中心的Brittberg团队首次报道了自体软骨细胞移植（ACI）用于软骨损伤修复的临床研究，即第一代ACI技术。如图1-3所示，该技术主要包括三步：关节镜下从非承重部位获取软骨组织用于提取分离软骨细胞、软骨细胞体外扩增以及将扩增后的细胞重新注射到覆盖有骨膜的软骨缺损部位[23]，良好的临床效果使得ACI技术逐渐在临床应用中得到推广。然而，该技术存在骨膜肥大、骨膜脱落导致细胞逸散、软骨细胞去分化等问题[24]。为克服第一代ACI存在的问题，瑞士的Geistlich公司推出胶原蛋白膜产品（Chondro-Gide）用于替代骨膜，即第二代ACI技术[25]，初步研究表明术后的31位患者取得了较满意的效果，但仍然存在胶原膜脱落、细胞外漏、软骨细胞表型丢失等问题[26]。尽管存在上述问题，长期的追踪结果表明第二代ACI技术能够有效地缓解患者关节软骨疼痛和肿胀的问题[27]。为克服第二代ACI存在的问题，1999年，德国Verigen公司推出的将软骨细胞悬液接种于过渡性的胶原膜支架材料上，称为基质诱导的软骨细胞移植（MACI），它的优点在于不需要引入天然的或合成的骨膜片，能够较好地调控软骨细胞
第一章绪论5在缺损部位的分布，适和较大缺损的软骨修复。研究表明MACI技术在短期内能够很好地改善患者的关节疼痛和肿胀，7年的随访结果表明MACI术后失败率在10.7%，而第一代ACI的术后失败率为33%[24]。2019年，惠州市人民医院报道了基于胶原膜接种自体软骨细胞用于治疗退行性膝关节软骨损伤后的两年随访报告，结果表明术后6个月膝关节活动度恢复正常，术后1年，54例患者中有2例患者出现软骨肥大的症状，需要接受二次手术[28]。也有研究表明MACI技术由于缺乏横向和纵向的固定，很容易导致软骨钙化且再生关节表面很容易纤维化[29]。图1-3第一代自体软骨细胞移植[30]Figure1-3First-generationautologouschondrocyteimplantation(ACI)[30].除了上述的软骨细胞移植技术，干细胞移植是另外一种可实现软骨再生的潜在治疗方法。例如，脂肪源干细胞（AD-MSCs）以1.0×108cells/mL的细胞悬液密度直接注射到已经有创伤性骨关节炎症状的位置，6个月的随访结果表明能够明显改善患者膝关节的疼痛[31]。Kim等报道了将AD-MSCs与纤维蛋白凝胶混合后再注射具有更好的效果[32]。此外，滑膜来源的干细胞用于软骨再生的研究结果表明干细胞的来源对于软骨再生非常重要，可能会影响软骨再生的效果[33]。与软骨细胞移植一样，干细胞移植后的效果也与患者的年龄以及软骨损伤的尺寸直接相关。对于损伤尺寸大于6cm2的60岁以上患者，手术失败率很高[34]。这些研究结果证明了干细胞移植对于软骨损伤修复的潜在效果。然而，软骨表面纤维化和随着时间延长出现恶化的情况也有报道[35]。这可能与干细胞从支架泄露后导致细胞大量死亡或者与支架不能够更加的仿生软骨基质有关，导致分化后的干细胞不能够维持软骨细胞表型和软骨基质分泌[36,37]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]环糊精衍生物水凝胶材料的研究进展[J]. 王志芳,宣承楷,刘雪敏,施雪涛. 材料导报. 2018(19)
[2]国内首例凝胶基质自体软骨细胞移植治疗膝关节软骨损伤及文献回顾[J]. 丁一,郑静晨,张仲文. 武警医学. 2018(06)
[3]基质诱导自体软骨细胞移植治疗软骨损伤的研究现状[J]. 李刚,焦强,王春理,赵瑞鹏,石一璠,李鹏翠,卫小春. 中国矫形外科杂志. 2017(14)
[4]Injectable hydrogels for cartilage and bone tissue engineering[J]. Mei Liu,Xin Zeng,Chao Ma,Huan Yi,Zeeshan Ali,Xianbo Mou,Song Li,Yan Deng,Nongyue He. Bone Research. 2017(02)
[5]The fabrication of biomimetic biphasic CAN-PAC hydrogel with a seamless interfacial layer applied in osteochondral defect repair[J]. Jinfeng Liao,Taoran Tian,Sirong Shi,Xueping Xie,Quanquan Ma,Guo Li,Yunfeng Lin. Bone Research. 2017(02)
[6]海藻酸动态共价交联水凝胶的制备及其自愈合性能[J]. 张鸿鑫,鲁路,李立华,焦延鹏,周长忍. 高分子学报. 2016(03)
[7]基于动态建构化学的自愈合水凝胶及其在生物医学领域的应用展望[J]. 叶碧华,孟璐,李立华,李娜,李志文,李日旺,蔡正伟,周长忍. 高分子学报. 2016(02)
[8]基于酰腙可逆共价键制备溶胶-凝胶转变的可自愈合水凝胶[J]. 吕展,郭赞如,贺站锋,马伟,章家立,王少会. 功能高分子学报. 2015(04)
[9]DNA超分子水凝胶[J]. 邵昱,李闯,周旭,吴芬,贾昊旸,王一杰,刘冬生. 高分子通报. 2015(09)
[10]高分子水凝胶修复关节软骨损伤:安全与有效性评价[J]. 赵文,刘玉英,刘子豪,王美. 中国组织工程研究. 2014(34)
本文编号：3563989
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【图文】：
正常关节软骨的组成（a）[15]和结构（b）[6]
华南理工大学博士学位论文4图1-2软骨损伤传统治疗方法（a）微骨折软骨成形术（b）马赛克软骨成形术[22]Figure1-2Traditionallyavailabletotreatsymptomaticarticularcartilage(a)microfracturechondroplasty(b)mosaicplastychondroplasty[22].为进一步探寻更佳的能够实现透明软骨再生的方法，1994年，瑞典哥德堡医疗中心的Brittberg团队首次报道了自体软骨细胞移植（ACI）用于软骨损伤修复的临床研究，即第一代ACI技术。如图1-3所示，该技术主要包括三步：关节镜下从非承重部位获取软骨组织用于提取分离软骨细胞、软骨细胞体外扩增以及将扩增后的细胞重新注射到覆盖有骨膜的软骨缺损部位[23]，良好的临床效果使得ACI技术逐渐在临床应用中得到推广。然而，该技术存在骨膜肥大、骨膜脱落导致细胞逸散、软骨细胞去分化等问题[24]。为克服第一代ACI存在的问题，瑞士的Geistlich公司推出胶原蛋白膜产品（Chondro-Gide）用于替代骨膜，即第二代ACI技术[25]，初步研究表明术后的31位患者取得了较满意的效果，但仍然存在胶原膜脱落、细胞外漏、软骨细胞表型丢失等问题[26]。尽管存在上述问题，长期的追踪结果表明第二代ACI技术能够有效地缓解患者关节软骨疼痛和肿胀的问题[27]。为克服第二代ACI存在的问题，1999年，德国Verigen公司推出的将软骨细胞悬液接种于过渡性的胶原膜支架材料上，称为基质诱导的软骨细胞移植（MACI），它的优点在于不需要引入天然的或合成的骨膜片，能够较好地调控软骨细胞
第一章绪论5在缺损部位的分布，适和较大缺损的软骨修复。研究表明MACI技术在短期内能够很好地改善患者的关节疼痛和肿胀，7年的随访结果表明MACI术后失败率在10.7%，而第一代ACI的术后失败率为33%[24]。2019年，惠州市人民医院报道了基于胶原膜接种自体软骨细胞用于治疗退行性膝关节软骨损伤后的两年随访报告，结果表明术后6个月膝关节活动度恢复正常，术后1年，54例患者中有2例患者出现软骨肥大的症状，需要接受二次手术[28]。也有研究表明MACI技术由于缺乏横向和纵向的固定，很容易导致软骨钙化且再生关节表面很容易纤维化[29]。图1-3第一代自体软骨细胞移植[30]Figure1-3First-generationautologouschondrocyteimplantation(ACI)[30].除了上述的软骨细胞移植技术，干细胞移植是另外一种可实现软骨再生的潜在治疗方法。例如，脂肪源干细胞（AD-MSCs）以1.0×108cells/mL的细胞悬液密度直接注射到已经有创伤性骨关节炎症状的位置，6个月的随访结果表明能够明显改善患者膝关节的疼痛[31]。Kim等报道了将AD-MSCs与纤维蛋白凝胶混合后再注射具有更好的效果[32]。此外，滑膜来源的干细胞用于软骨再生的研究结果表明干细胞的来源对于软骨再生非常重要，可能会影响软骨再生的效果[33]。与软骨细胞移植一样，干细胞移植后的效果也与患者的年龄以及软骨损伤的尺寸直接相关。对于损伤尺寸大于6cm2的60岁以上患者，手术失败率很高[34]。这些研究结果证明了干细胞移植对于软骨损伤修复的潜在效果。然而，软骨表面纤维化和随着时间延长出现恶化的情况也有报道[35]。这可能与干细胞从支架泄露后导致细胞大量死亡或者与支架不能够更加的仿生软骨基质有关，导致分化后的干细胞不能够维持软骨细胞表型和软骨基质分泌[36,37]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]环糊精衍生物水凝胶材料的研究进展[J]. 王志芳,宣承楷,刘雪敏,施雪涛. 材料导报. 2018(19)
[2]国内首例凝胶基质自体软骨细胞移植治疗膝关节软骨损伤及文献回顾[J]. 丁一,郑静晨,张仲文. 武警医学. 2018(06)
[3]基质诱导自体软骨细胞移植治疗软骨损伤的研究现状[J]. 李刚,焦强,王春理,赵瑞鹏,石一璠,李鹏翠,卫小春. 中国矫形外科杂志. 2017(14)
[4]Injectable hydrogels for cartilage and bone tissue engineering[J]. Mei Liu,Xin Zeng,Chao Ma,Huan Yi,Zeeshan Ali,Xianbo Mou,Song Li,Yan Deng,Nongyue He. Bone Research. 2017(02)
[5]The fabrication of biomimetic biphasic CAN-PAC hydrogel with a seamless interfacial layer applied in osteochondral defect repair[J]. Jinfeng Liao,Taoran Tian,Sirong Shi,Xueping Xie,Quanquan Ma,Guo Li,Yunfeng Lin. Bone Research. 2017(02)
[6]海藻酸动态共价交联水凝胶的制备及其自愈合性能[J]. 张鸿鑫,鲁路,李立华,焦延鹏,周长忍. 高分子学报. 2016(03)
[7]基于动态建构化学的自愈合水凝胶及其在生物医学领域的应用展望[J]. 叶碧华,孟璐,李立华,李娜,李志文,李日旺,蔡正伟,周长忍. 高分子学报. 2016(02)
[8]基于酰腙可逆共价键制备溶胶-凝胶转变的可自愈合水凝胶[J]. 吕展,郭赞如,贺站锋,马伟,章家立,王少会. 功能高分子学报. 2015(04)
[9]DNA超分子水凝胶[J]. 邵昱,李闯,周旭,吴芬,贾昊旸,王一杰,刘冬生. 高分子通报. 2015(09)
[10]高分子水凝胶修复关节软骨损伤:安全与有效性评价[J]. 赵文,刘玉英,刘子豪,王美. 中国组织工程研究. 2014(34)
本文编号：3563989
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