構建水凝膠實現關節鏡水壓環境下軟骨修復

　　近期，上海交通大學生物醫學工程學院林秋寧研究員、上海交通大學附屬第九人民醫院周廣東研究員聯合設計了一種超快、高強、強粘的雜化光交聯（Hybrid Photo-Crosslinking）水凝膠技術。該水凝膠技術能夠滿足關節鏡手術實施軟骨缺損修復的苛刻要求，即在水壓環境下實現光固化操作。通過該技術構建水凝膠支架材料負載自體軟骨細胞，該團隊成功實現了大動物（豬）負重區關節軟骨缺損修復。相關工作以“Ultrafast， tough， and adhesive hydrogel based on hybrid photocrosslinking for articular cartilage repair in water-filled arthroscopy”為題發表在Science Advances。

　　關節軟骨損傷是臨床上最為常見的關節退行性疾病，發病率非常高，尤其是在中老年群體中。關節軟骨損傷往往造成關節軟骨的退行性病變，如骨關節炎，可以導致殘疾、關節運動期間的疼痛以及骨關節的變形，不僅嚴重影響患者的生活質量，而且消耗了大量的醫療資源。軟骨組織既沒有神經支配也沒有血管化，并且細胞密度極低，當外力造成軟骨損傷時，機體缺乏必要的營養物質供應，導致軟骨組織的修復再生能力十分有限。因此針對局限性軟骨缺損的中度退變患者，臨床上主要采用微骨折術或自體軟骨移植術進行治療。但是該類手術**于小范圍的軟骨缺損修復，其供體來源十分有限，且移植軟骨與周圍正常軟骨整合欠佳。

　　組織工程與再生醫學技術的發展為解決上述難題提供了全新的策略—軟骨組織工程，即通過結合自體軟骨細胞和三維支架材料（如水凝膠材料）進行關節軟骨缺損修復的先進技術。隨著臨床上微創手術的普遍化，理想的軟骨組織工程支架材料需要與當前的關節鏡手術相結合。與開放式手術不同，標準的關節鏡操作過程需要一定的水壓（~10 kPa）將關節腔撐開，以便于手術觀察與操作，這對當前的水凝膠技術提出了巨大的挑戰：要求材料能夠通過腔鏡器械準確注射到缺損部位并在水下快速固化，固化后與周圍組織牢固粘合且在水壓環境下維持機械穩定性。然而迄今為止，沒有任何一項水凝膠技術能夠突破這一技術壁壘。

　　基于此，上海交通大學林秋寧/周廣東團隊設計了一種新型的雜化光交聯水凝膠系統，通過將該團隊特色的光致亞胺交聯策略和傳統的光引發自由基聚合交聯策略結合，實現一次光照秒級構建高強、高粘的雙網絡水凝膠。如圖1所示，除了透明質酸高分子上雙建官能團的快速聚合交聯外，另一透明質酸高分子上的鄰硝基芐醇在光照下生成的醛基，能夠與明膠或周圍組織上的氨基反應，從而實現雙網絡水凝膠支架材料的一步構建、以及膠層與周圍組織的化學鍵鍵合固定。該類凝膠技術具有超快的交聯速度（約1 s）、較高的力學性能（約2 MPa）、優異的組織粘附能力（凝膠-軟骨界面強度：縱向拉伸力16.4±1.2 kPa；橫向剪切力29.0±3.2 kPa）。