中国医学科学院北京协和医院赵宇：一种具有潜在的抗炎、镇痛和抗菌作用的硬脊膜修复水凝胶补片|Bioactive Materials
近期，中国医学科学院北京协和医院赵宇教授在科爱出版创办的期刊Bioactive Materials上发表论著：一种具有潜在的抗炎、镇痛和抗菌作用的硬脊膜修复水凝胶补片。研制了一种基于蛞蝓粘液仿生的自粘水凝胶补片，该补片以壳聚糖、聚丙烯酰胺和海藻酸钠为主要成分。为临床治疗硬脊膜缺损提供了一种选择，为硬脊膜缺损修复的研究提供了新思路。
01
研究内容简介
临床上，硬脊膜缺损和脑脊液漏是脊柱手术常见的并发症，在不同报道中的发生率为1~30%，在伴有硬膜骨化的患者中尤为常见。除了引流的保守方式外，目前还没有一种方便有效的修补方法，能够及时、安全、可靠、便捷地修复硬脊膜缺损。常用的缝合或密封剂的硬脊膜修补方式存在针眼漏或密封失败的风险。诸多学者提出在硬脊膜缺损后的湿环境下，一种稳定、高粘附能力的补片是十分理想的修复材料。
本研究研制了一种用于硬脊膜修复的生物活性水凝胶补片，它由壳聚糖粘合剂和海藻酸盐/聚丙烯酰胺水凝胶基质组成。该补片具有优良的密封功能，耐受压力远超生理性脑脊液压力。抗菌性能方面，该补片与细菌共培养48 小时后可显着降低99%的细菌活性。此外，该生物活性补片能显着增强成纤维细胞增殖，促进修复性的纤维结缔组织的形成，在硬脊膜修复术后早期还具有抗炎镇痛的作用。
1.补片结构表征
本研究采用二次交联法改变材料结构。SEM观察到基质表面和内部为多孔结构（图1)。经过不同浓度的钙离子二次交联24 h后，基质的孔隙率和孔径都有明显改善。疏松多孔的基质为成纤维细胞的生长和繁殖提供了适宜的空间，有利于硬脑膜缺损的封闭。0.25 M 钙离子二次交联处理后的基质提供了最佳的孔隙率和孔径。
图 1 补片基质的宏观和微观结构
2.补片基质的拉伸、溶胀和粘附性能
经过0.25 M钙离子二次交联的基质机械性能最佳，断裂应变为原长度的11.76±1.72倍，拉伸应力达到20.28±4.34kPa，杨氏模量为2.56±0.01kPa（图2）。机械性能远高于硬脊膜本身的特性。
图 2 补片基质在不同钙浓度二次交联后和不同含水量中的拉伸性能
硬脊膜损伤和感染是脊柱手术最常见的并发症。将粘合剂与金葡菌和大肠埃希菌共培养 48 h。通过菌落计数法确定细菌浓度。金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的浓度在 48 小时内分别下降了 85.956 ± 15.210% 和 99.999 ± 0.001%（图 3）。
图3 补片吸水后的重量和体积变化及粘合剂的附着力和抗菌功能
4. 湿环境下的密封效果
为了研究补片在潮湿环境中的短期和长期封闭效果，我们构建了猪小肠和猪脊髓两个体外模型，模拟了补片修复硬脊髓膜缺损的场景。补片可承受 790 ± 115.76 mmH2O的压力（图4），远高于其他修复方法。此外，补片在模拟的脑脊液循环中72h后仍保持良好的密封效果。
图4 不同硬脊膜缺损修复方法的封闭效果对比
5.生物学功能验证
硬脊膜缺损可导致脊髓腹侧及周围背侧组织发生病理改变，包括少突胶质细胞和星形胶质细胞异常增殖形成神经瘢痕，小胶质细胞和巨噬细胞对免疫微环境的影响，以及各种炎症细胞对炎症微环境的影响和炎症因子（如TNF-α和COX等）的异常表达，我们通过体内试验（图5）验证了补片对不良病理改变的抑制作用。
图5 该补片的生物学功能
最后作者指出他们开发的多功能生物活性补片，可用于修复硬脊膜并预防脑脊液漏的发生，具有紧密密封、抗炎、止痛和抗菌的优良特性。该补片可通过其多孔结构促进成纤维细胞增殖，加速硬脊膜缺损的封闭过程。补片的粘合层表现出优异的抑菌能力，可显着降低术后感染发生率。此外，与炎症、疼痛和疤痕形成相关的细胞因子如 GFAP、IBA-1 和 MBP 在术后 1-3 周显着下调，增强了缺损部位周围的抗炎、镇痛和抗粘连作用。这种易制备、低成本的生物活性补片是临床硬脊膜缺损修复的可靠选择。
02
论文第一/通讯作者简介
第一作者：李嘉浩
中国医学科学院北京协和医院骨科赵宇教授课题组硕士研究生，本科毕业于北京大学医学部。目前从事硬脊膜修复材料、椎板磨削机器人相关研究，以第一/共一作者身份发表SCI论文2篇，参与编写青少年脊柱侧凸、骨科植骨材料相关指南、共识2部。
共同第一作者：田静静
中国医学科学院北京协和医院助理研究员。2018年于中科院北京纳米能源与系统研究所取得理学博士学位，自2018年加入北京协和医院医学科学研究中心，主要研究方向是电子医疗器件及光/热/磁等物理疗法对组织再生修复的促进作用，尤其是对神经、骨和皮肤等组织的损伤修复与再生。主持国自然青年，清华-协和联合项目各一项，发表SCI收录论文20余篇，以第一/共一作者在Advanced Materials、Nano Energy、bioactive Materials、ACS Nano、ACS Applied Materials & Interfaces等学术期刊发表SCI收录论文9篇，授权中国发明专利两项。
通讯作者：赵宇
中国医学科学院北京协和医院骨科教授、主任医师、博士研究生导师，博士后指导教师。国际矫形与创伤学会（SICOT）中国部常委兼秘书长、SICOT中国部第一届计算机与赋能技术专业委员会主任委员、中国老年学和老年医学学会老年骨科分会社区学组组长、BMC Musculoskeletal Disorders杂志副主编、Journal of Orthopaedic Translation杂志编委，中华骨科杂志编委，中华骨与关节外科杂志编委，围绕脊柱畸形和胸椎管狭窄等疾病，采用基因组学、代谢组学、高分子材料学、生物力学、人因工程学、人工智能等进行了多系列研究。近五年承担了科技部重点专项、国家自然基金、北京市自然基金、北京市科委重点研发项目、卫健委推广项目、军科委项目等18项课题发表论文190余篇，SCI收录60余篇。授权专利19项。主编专著5部，起草指南3部、标准2项。
03
资助信息
该研究获清华大学-北京协和医院合作课题(201980871)国家自然科学基金(82002314)的支持。
04
原文信息
Jiahao Li, Jingjing Tian, Chunxu Li, Longyun Chen, Yu Zhao.
A hydrogel spinal dural patch with potential anti-inflammatory, pain relieving and antibacterial effects.
Bioactive Materials, 14 (2022) 389-401.
点击阅读原文，查看文章详情
Bioactive Materials是一本高质量英文期刊，目前已经被SCIE、PubMed Central、Scopus、Embase收录。同时本刊还入选了2019年中国科技期刊卓越行动计划--“高起点新刊”项目。
2022年Bioactive Materials 获得影响因子16.874 ，在Materials Science，Biomaterials领域排名第一。
位于《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区表》1区，TOP期刊。
CiteScore 2021: 14.3。