軸向壓應力對互穿多聚物網(wǎng)絡水凝膠組織工程髓核的生物學效應研究.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?、以NP碎裂、IVD突出為主要病理結(jié)果，進而引起一系列臨床癥狀的脊柱疾患，其人群發(fā)病率極高，嚴重影響中老年人的勞動能力和生活質(zhì)量，已成為日益突出的社會健康問題。目前，針對DDD的治療均以緩解和改善臨床癥狀為目的，尚無修

2、復退變碎裂的NP、重建IVD的生物力學功能的臨床治療手段。組織工程技術的發(fā)展為NP的再生修復展現(xiàn)出嶄新的前景，日益受到廣泛關注。
　　目的:
　　IVD在體內(nèi)主要是發(fā)揮生物力學功能，承載著較高的應力負荷，其中NP更是承載了脊柱所受到的70％軸向應力負荷。因此組織工程髓核(tissue-engineered nucleuspulposus，TE-NP)在植入體內(nèi)時應具有良好的力學性能和生物學功能，保證在較高的應力負荷下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IVD的生物力學功能，重建脊柱的生物力學。然而，目前TE-NP的生物力學性能的不足是限制TE-NP進一步發(fā)展的重要瓶頸問題之一。本研究旨在構(gòu)建一種具有較強力學性能和生物活性的TE-NP，然后在此基礎之上，研究不同強度軸向壓應力對TE-NP內(nèi)髓核細胞(NPCs)生物學功能的影響。
　　方法:
　　本課題在前期研究的基礎之上，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修復的強化力學性能多層互穿多聚物網(wǎng)絡（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，檢測孔徑、孔隙率、力學性能、

5、水合能力以及細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)相關蛋白的表達。
　　在此基礎之上，將TE-NP置入前期自主研發(fā)的“智能化反饋調(diào)控組織軸向應力仿生施加及培養(yǎng)系統(tǒng)”中，運用不同強度的動態(tài)軸向壓應力加載于T

6、E-NP以增強其生物學功能，觀察不同強度的壓應力對TE-NP的細胞增殖活性、ECM合成、細胞表型、合成代謝、分解代謝、炎癥相關基因表達、細胞凋亡及細胞骨架的影響，探索軸向壓應力對TE-NP生物學功能的效應“窗”，尋找對TE-NP生物學功能發(fā)揮正向調(diào)控作用的軸向壓應力的適宜強度。
　　結(jié)果:
　　(1)由4A-PEG-acr、ODex和MGel通過兩步交聯(lián)反應制成的IPN水凝膠是適用于NP組織工程的良好支架材料。當三者的成分比

7、例為2∶3∶5時，該水凝膠具有仿生的3D結(jié)構(gòu)、高孔徑、高強度、高韌性、與NP類似的吸水膨脹能力以及良好的細胞相容性。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)不同強度的軸向壓應力對TE-NP的生物學功能產(chǎn)生了不同的影響。根據(jù)本研究發(fā)現(xiàn)，低強度的壓應力(1％～10％)尤其是壓縮量為1％的壓應力可以有效地增強TE-NP的細胞增殖活性和合成代謝能力，減少了NPCs的分解代謝、炎

8、癥相關基因表達和凋亡，并維持細胞正常的類圓形結(jié)構(gòu);而高強度的壓應力(15％-20％)對TE-NP的生物學功能起到了負性調(diào)節(jié)作用，導致了NPCs的分解代謝、炎癥相關基因和凋亡相關基因表達的上調(diào)，合成代謝減少，波形蛋白的表達升高且細胞形態(tài)呈長梭形改變。
　　全文結(jié)論:
　　由4A-PEG-acr、ODex和MGel通過兩步交聯(lián)反應制成的IPN水凝膠是適用于NP組織工程的良好支架材料，當三者的成分比例為2∶3∶5時該水凝膠具有強化

9、的力學性能和良好的細胞相容性，有利于承載一定強度的應力負荷。
　　以該水凝膠為支架構(gòu)建的TE-NP在低強度的應力作用（1-10％）尤其是壓縮量為1％的低強度壓應力作用下，細胞維持了天然的類圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部細胞增殖活性和合成代謝能力明顯增強，進一步增強了TE-NP的生物活性;然而，高強度的壓應力作用（15％-20％）對TE-NP的生物學功能起到了負性調(diào)節(jié)的作用。
　　本研究制備具有良好的力學性能和生物活性的TE-NP，并發(fā)現(xiàn)低強