軸向壓應(yīng)力對(duì)互穿多聚物網(wǎng)絡(luò)水凝膠組織工程髓核的生物學(xué)效應(yīng)研究.pdf

1、背景:
　　椎間盤退行性疾病(disc degenerative disease，DDD)是一類以椎間盤(intervertebraldisc，IVD)髓核(nucleus pulposus，NP)退變?yōu)楹诵牟±碜兓⒁訬P碎裂、IVD突出為主要病理結(jié)果，進(jìn)而引起一系列臨床癥狀的脊柱疾患，其人群發(fā)病率極高，嚴(yán)重影響中老年人的勞動(dòng)能力和生活質(zhì)量，已成為日益突出的社會(huì)健康問題。目前，針對(duì)DDD的治療均以緩解和改善臨床癥狀為目的，尚無修

2、復(fù)退變碎裂的NP、重建IVD的生物力學(xué)功能的臨床治療手段。組織工程技術(shù)的發(fā)展為NP的再生修復(fù)展現(xiàn)出嶄新的前景，日益受到廣泛關(guān)注。
　　目的:
　　IVD在體內(nèi)主要是發(fā)揮生物力學(xué)功能，承載著較高的應(yīng)力負(fù)荷，其中NP更是承載了脊柱所受到的70％軸向應(yīng)力負(fù)荷。因此組織工程髓核(tissue-engineered nucleuspulposus，TE-NP)在植入體內(nèi)時(shí)應(yīng)具有良好的力學(xué)性能和生物學(xué)功能，保證在較高的應(yīng)力負(fù)荷下TE-N

3、P可以維持其結(jié)構(gòu)和功能，為NP組織提供再生模板，恢復(fù)IVD的生物力學(xué)功能，重建脊柱的生物力學(xué)。然而，目前TE-NP的生物力學(xué)性能的不足是限制TE-NP進(jìn)一步發(fā)展的重要瓶頸問題之一。本研究旨在構(gòu)建一種具有較強(qiáng)力學(xué)性能和生物活性的TE-NP，然后在此基礎(chǔ)之上，研究不同強(qiáng)度軸向壓應(yīng)力對(duì)TE-NP內(nèi)髓核細(xì)胞(NPCs)生物學(xué)功能的影響。
　　方法:
　　本課題在前期研究的基礎(chǔ)之上，制備了一種由天然材料——氧化葡聚糖(oxidativ

4、edextran，ODex)、氨基化明膠（amino gelatin，MGel）以及合成材料——四臂聚乙二醇-丙烯酸酯(4-arm-poly-(ethylene glycol)-acrylate，4A-PEG-Acr)構(gòu)成的、適用于NP修復(fù)的強(qiáng)化力學(xué)性能多層互穿多聚物網(wǎng)絡(luò)（interpenetrating polymer network，IPN）水凝膠。本研究通過調(diào)整IPN水凝膠中4A-PEG-Acr的比例，檢測(cè)孔徑、孔隙率、力學(xué)性能、

5、水合能力以及細(xì)胞相容性等理化性能，以優(yōu)化篩選適用于TE-NP的性能最優(yōu)的、仿生的IPN水凝膠，然后觀察該IPN水凝膠內(nèi)三維（three dimensional，3D）培養(yǎng)的NPCs增殖活性、生化成分含量、NP特異性基因和胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)相關(guān)蛋白的表達(dá)。
　　在此基礎(chǔ)之上，將TE-NP置入前期自主研發(fā)的“智能化反饋調(diào)控組織軸向應(yīng)力仿生施加及培養(yǎng)系統(tǒng)”中，運(yùn)用不同強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)軸向壓應(yīng)力加載于T

6、E-NP以增強(qiáng)其生物學(xué)功能，觀察不同強(qiáng)度的壓應(yīng)力對(duì)TE-NP的細(xì)胞增殖活性、ECM合成、細(xì)胞表型、合成代謝、分解代謝、炎癥相關(guān)基因表達(dá)、細(xì)胞凋亡及細(xì)胞骨架的影響，探索軸向壓應(yīng)力對(duì)TE-NP生物學(xué)功能的效應(yīng)“窗”，尋找對(duì)TE-NP生物學(xué)功能發(fā)揮正向調(diào)控作用的軸向壓應(yīng)力的適宜強(qiáng)度。
　　結(jié)果:
　　(1)由4A-PEG-acr、ODex和MGel通過兩步交聯(lián)反應(yīng)制成的IPN水凝膠是適用于NP組織工程的良好支架材料。當(dāng)三者的成分比

7、例為2∶3∶5時(shí)，該水凝膠具有仿生的3D結(jié)構(gòu)、高孔徑、高強(qiáng)度、高韌性、與NP類似的吸水膨脹能力以及良好的細(xì)胞相容性。接種于該水凝膠中的NPCs具有良好的增殖活力，并維持了天然的表型，具有良好的生物合成能力。
　　(2)不同強(qiáng)度的軸向壓應(yīng)力對(duì)TE-NP的生物學(xué)功能產(chǎn)生了不同的影響。根據(jù)本研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度的壓應(yīng)力(1％～10％)尤其是壓縮量為1％的壓應(yīng)力可以有效地增強(qiáng)TE-NP的細(xì)胞增殖活性和合成代謝能力，減少了NPCs的分解代謝、炎

8、癥相關(guān)基因表達(dá)和凋亡，并維持細(xì)胞正常的類圓形結(jié)構(gòu);而高強(qiáng)度的壓應(yīng)力(15％-20％)對(duì)TE-NP的生物學(xué)功能起到了負(fù)性調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致了NPCs的分解代謝、炎癥相關(guān)基因和凋亡相關(guān)基因表達(dá)的上調(diào)，合成代謝減少，波形蛋白的表達(dá)升高且細(xì)胞形態(tài)呈長(zhǎng)梭形改變。
　　全文結(jié)論:
　　由4A-PEG-acr、ODex和MGel通過兩步交聯(lián)反應(yīng)制成的IPN水凝膠是適用于NP組織工程的良好支架材料，當(dāng)三者的成分比例為2∶3∶5時(shí)該水凝膠具有強(qiáng)化

9、的力學(xué)性能和良好的細(xì)胞相容性，有利于承載一定強(qiáng)度的應(yīng)力負(fù)荷。
　　以該水凝膠為支架構(gòu)建的TE-NP在低強(qiáng)度的應(yīng)力作用（1-10％）尤其是壓縮量為1％的低強(qiáng)度壓應(yīng)力作用下，細(xì)胞維持了天然的類圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部細(xì)胞增殖活性和合成代謝能力明顯增強(qiáng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了TE-NP的生物活性;然而，高強(qiáng)度的壓應(yīng)力作用（15％-20％）對(duì)TE-NP的生物學(xué)功能起到了負(fù)性調(diào)節(jié)的作用。
　　本研究制備具有良好的力學(xué)性能和生物活性的TE-NP，并發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)