上海交大林秋宁/周广东《Sci. Adv》：秒级构建高强、高粘水凝胶实现静水压下软骨修复
近期，上海交通大学生物医学工程学院林秋宁研究员、上海交通大学附属第九人民医院周广东研究员联合设计了一种超快、高强、强粘的杂化光交联（Hybrid Photo-Crosslinking）水凝胶技术。该类凝胶技术能够满足关节镜微创手术要求，实现水压环境下的光固化操作，进一步利用该类水凝胶支架材料负载自体软骨细胞，成功实现了大动物（猪）负重区关节软骨缺损修复。相关工作以“Ultrafast, tough, and adhesive hydrogel based onhybrid photocrosslinking for articular cartilage repair in water-filledarthroscopy”为题发表在《Science Advances》上。
关节软骨损伤（如骨关节炎OA）是临床上最常见的退行性关节疾病，在中老年人群中发病率极高，累及人群巨大，已成为影响中老年人生存质量的重大社会问题。对于局限性软骨缺损的中度退变患者，目前临床上主要采用微骨折术和自体软骨移植术进行治疗。经过二十多年的发展，结合自体软骨细胞和三维支架材料（如水凝胶）的组织工程技术为关节软骨缺损修复提供了全新的治疗策略。随着临床上微创手术的普遍化，理想的软骨组织工程支架材料需要与当前的关节镜手术相结合。与开放式手术不同，标准的关节镜操作过程需要一定的水压（~10 kPa）将关节腔撑开，以便于手术观察与操作，这对当前的水凝胶技术提出了巨大的挑战：要求材料能够通过腔镜器械准确注射到缺损部位并在水下快速固化，固化后与周围组织牢固粘合且在水压环境下维持机械稳定性。然而，迄今仍然没有一项水凝胶技术能够突破该挑战。
基于此，上海交通大学林秋宁/周广东团队设计了一种新型的杂化光交联水凝胶系统，通过将该团队特色的光致亚胺交联策略和传统的光引发自由基聚合交联策略结合，实现一次光照秒级构建高强、高粘的双网络水凝胶。如图1所示，除了透明质酸高分子上双建官能团的快速聚合交联外，另一透明质酸高分子上的邻硝基苄醇在光照下生成的醛基，能够与明胶或周围组织上的氨基反应，从而实现双网络水凝胶支架材料的一步构建、以及胶层与周围组织的化学键键合固定。该类凝胶技术具有超快的交联速度（约1 s）、较高的力学性能（约2 MPa）、优异的组织粘附能力（凝胶-软骨界面强度：纵向拉伸力16.4±1.2 kPa；横向剪切力29.0±3.2 kPa）。
图1. 杂化光交联水凝胶的构建示意图及理化性质表征
进一步，本文验证了该类杂化光交联水凝胶具有优异的生物相容性与生物降解性，较低的免疫炎症反应，能够作为支架材料包裹软骨细胞，在裸鼠皮下再生成熟的组织工程软骨。接着，本文重点探讨了该杂化光交联凝胶技术应用于关节镜水下原位修复软骨缺损的可行性。如图2所示，水凝胶前体溶液通过为该技术量身定制的关节镜辅助装置注射至水下的软骨缺损部位，随即打开395 nm光源，使胶液快速固化并与周围软骨组织一体化整合，得到的凝胶-软骨复合物能够承受47.8±6.5 kPa的水压强度，远远超过了临床上关节镜手术过程中所需的水压（~ 10 kPa）。
图2. 杂化光交联凝胶技术用于关节镜手术的体外模拟实验
最后，本文应用杂化光交联水凝胶包裹自体软骨细胞，成功实现了在体关节镜手术下猪关节负重区的软骨缺损修复。如图3所示，与体外模拟实验结果一致，该水凝胶技术可以在连续液体（生理盐水）灌溉压力（~ 10 kPa）下，精准修补软骨缺损部位。实验组中，关节软骨缺损处基本被新生的透明软骨组织覆盖，呈现出软骨特异性染色和典型的软骨陷窝结构，并且与周围正常软骨组织整合一体化。综上所述，该水凝胶技术集合了可控快速交联、优异机械性能以及可组织粘附的特性，满足关节镜手术水压环境下的应用要求，有望拓展成为微创手术盛行趋势下软骨缺损治疗的新策略。
图3. 杂化光交联水凝胶技术用于关节镜手术下的在体软骨缺损修复
本论文第一作者：华宇杰、夏会堂、贾立涛；通讯作者：周广东、林秋宁，该工作得到了上海交通大学朱麟勇教授的悉心指导。动物实验关节镜手术操作、设备以及数据结果分析等得到了长期合作方上海交通大学附属第六人民医院赵金忠主任团队的大力支持。该工作得到了国家重大研发计划（2019YFA0110500 、2017YFC1103900）、国家优秀青年科学基金（22022506）等项目支持。
论文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/35/eabg0628