天津大學(xué)劉文廣教授：3D打印超高強(qiáng)度聚合物水凝膠，或可代替受損半月板

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

半月板是位于股骨髁(FC)和脛骨平臺(tái)(TP)之間的楔形纖維軟骨組織,，在傳遞和重新分配負(fù)荷、提供緩沖和吸收能量、潤(rùn)滑和穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)等方面起著至關(guān)重要的作用。在過(guò)去的十年中,，人們致力于半月板替代品的開發(fā),，目的是再現(xiàn)半月板的微觀結(jié)構(gòu),，恢復(fù)半月板的功能，從而保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨免受磨損,。然而,，這些植入物在幾何設(shè)計(jì)上是均勻的，沒有模仿原生半月板的精細(xì)微結(jié)構(gòu),，機(jī)械強(qiáng)度較弱,，因此只適合于半月板部分切除術(shù)后保留完整血管區(qū)(半月板外緣)的治療,。由于難以再現(xiàn)各向異性的微結(jié)構(gòu)和模量，開發(fā)一種具有可靠的長(zhǎng)期機(jī)械和功能支持的半月板置換手術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn),。到目前為止,，還沒有結(jié)構(gòu)完整,、綜合力學(xué)性能高,、足夠堅(jiān)固的替代品用于長(zhǎng)期的半月板置換。

近日,，天津大學(xué)劉文廣教授課題組首次報(bào)道了一種高強(qiáng)度超分子聚合物水凝膠緩沖仿生結(jié)構(gòu)半月板置換物,。徑向和周向取向的聚(e-己內(nèi)酯)(PCL)纖維框架是3D打印的，模仿天然半月板中的膠原纖維,，以提供周向拉伸支撐,。然后，氫鍵增強(qiáng)的抗膨脹聚(n -丙烯酰甘氨酸酰胺)(PNAGA)水凝膠,，復(fù)制了蛋白聚糖在抗軸向壓縮載荷中的功能,，注入進(jìn)3D打印PCL框架，從而實(shí)現(xiàn)了持久的能量吸收和緩沖功能,，遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)聚丙烯酰胺水凝膠的性能,。PNAGA緩沖-PCL的周向楊氏模量為20.15±1.37 MPa，徑向楊氏模量為10.43±1.54 MPa,，壓縮模量為1.11±0.14 MPa,，撕裂能為17.00±2.07 kJ m−2。該3D打印PCL-PNAGA半月板支架植入兔膝關(guān)節(jié)12周,，體內(nèi)結(jié)果顯示其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,，有效保護(hù)軟骨免受磨損，同時(shí)改善了骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展,。相關(guān)工作以“3D Printed High-Strength Supramolecular Polymer Hydrogel-Cushioned Radially and Circumferentially Oriented Meniscus Substitute”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》,。

方案1. 3D打印高強(qiáng)度超分子聚合物水凝膠緩沖徑向和周向?qū)�向半月板替代品示意圖。

為了模擬微結(jié)構(gòu)特征,，并考慮到機(jī)械需求,，研究者提出構(gòu)建一個(gè)PNAGA緩沖3D打印PCL框架半月板替換物，它由徑向和周向的PCL纖維組成,，模仿天然半月板的膠原纖維網(wǎng)絡(luò),，從而提供機(jī)械支持，特別是周向的抗拉能力,，以及填充PCL框架的PNAGA水凝膠,，以復(fù)制蛋白多糖抵抗軸向壓縮載荷和提供緩沖的功能(方案1)。考慮到PCL結(jié)構(gòu)的疏水性,，對(duì)其進(jìn)行堿預(yù)處理,，以增加PCL與PNAGA的潤(rùn)濕性和表面接觸面積,。

圖1. 不同針型PCL支架的光學(xué)顯微圖像(30 G,，內(nèi)徑0.3 mm；40G,，內(nèi)徑0.4 mm,；50G，內(nèi)徑0.5 mm)：a) 4×(比例尺:1 mm),、8×放大倍數(shù)(比例尺:300μm); b) 4×放大倍數(shù)(比例尺:1 mm)時(shí)不同的纖維間距(1000,、2000、3000μm),。c)不同類型針頭的PCL支架中纖維的理論直徑和實(shí)際直徑,。d)不同纖維間距PCL支架的孔徑。數(shù)據(jù)以平均值±SD表示,。n = 3,。

3D打印PCL支架的表征
為了研究打印針類型對(duì)PCL支架中纖維直徑的影響,，在倒置熒光顯微鏡下觀察了打印參數(shù)優(yōu)化后通過(guò)不同針頭打印的PCL支架,。從圖1a,、c中可以看出,，在3D打印過(guò)程中,，使用較大的針可以得到較大的纖維直徑和較小的孔徑,。值得注意的是,，由于PCL典型的擠出膨脹現(xiàn)象,，纖維的理論直徑小于實(shí)際直徑�,？紤]到兔半月板的尺寸較小,，最終使用30G型號(hào)的針頭3D打印PCL支架進(jìn)行體內(nèi)植入。

PCL-PNAGA支架的制備與表征
為了修復(fù)半月板損傷,，延緩骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展,，本研究提出了一種PCL-PNAGA支架的構(gòu)建策略，該支架由剛性PCL框架進(jìn)行機(jī)械支撐,，軟質(zhì)PNAGA水凝膠進(jìn)行能量耗散和緩沖,。由于PCL支架的親水性不足，不利于NAGA水溶液的滲透和PCL與PNAGA水凝膠的界面結(jié)合,，采用簡(jiǎn)單方便的NaOH刻蝕法對(duì)3D打印PCL支架表面進(jìn)行處理,，目的是增強(qiáng)PCL的親水性。將3D打印的PCL支架在37℃,、10 M NaOH溶液中浸泡1 h,。徹底清洗后，將含有光引發(fā)劑的30 wt%的NAGA單體溶液注入PCL支架網(wǎng)絡(luò)中,，然后光聚合生成矩形和圓柱形PCL-PNAGA支架和PCL-PNAGA半月板支架,。

圖2. 排列交錯(cuò)PCL支架和不同纖維間距PCL-PNAGA支架的力學(xué)性能。拉伸強(qiáng)度,，斷裂伸長(zhǎng)率,，楊氏模量和斷裂能。

PCL支架和PCL-PNAGA支架的力學(xué)性能
為了分析3D打印PCL支架和PCL-PNAGA支架的生物力學(xué)性能,，進(jìn)行了單軸拉伸和無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)(圖2a-d),。從拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，所有支架都經(jīng)歷了彈性變形,、屈服,、變形發(fā)展、應(yīng)變硬化和逐漸破壞五個(gè)階段,。隨著纖維間距的增大,，排列式PCL支架和交錯(cuò)式PCL支架的抗拉強(qiáng)度和楊氏模量均呈下降趨勢(shì)，原因是支架孔徑增大,，纖維數(shù)量減少,。隨著纖維間距的增加，PCL-PNAGA支架的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量也出現(xiàn)了類似的下降,。然而,，當(dāng)單體濃度為30 wt%時(shí)，PCL-PNAGA支架的抗拉強(qiáng)度和楊氏模量均比PNAGA水凝膠提高了約兩個(gè)數(shù)量級(jí)(0.95±0.04 MPa, 0.15±0.01 MPa),。特別是PCL-PNAGA支架具有比PNAGA水凝膠更高的楊氏模量,，可以滿足半月板置換的要求。盡管它們的力學(xué)性能在拉伸強(qiáng)度和楊氏模量方面不如原生半月板,，但PCL-PNAGA支架具有足夠的強(qiáng)度來(lái)維持結(jié)構(gòu)的完整性,，并發(fā)揮荷載傳遞的功能。

圖3. a,e)對(duì)齊和c,g)交錯(cuò)PCL-PNAGA支架的抗疲勞性能與循環(huán)拉伸(a,c)和壓縮(e,g)加卸載試驗(yàn)1000個(gè)循環(huán),。b,d,f,h)分別計(jì)算第一個(gè)循環(huán)和每100個(gè)循環(huán)對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力和耗散能,。在所有循環(huán)中，最大應(yīng)變?yōu)?0%,。

圖4. a) 3D打印PCL半月板支架和PCL-PNAGA半月板支架示意圖和照片(比例尺:1cm),。b) PCL-PNAGA半月板支架沿徑向和周向拉伸的拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線，c)相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度和楊氏模量。d) PCL-PNAGA半月板支架沿軸向壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線,。e) PCL-PNAGA半月板支架1000次循環(huán)壓縮加卸載試驗(yàn)的抗疲勞性能,，f)計(jì)算對(duì)應(yīng)的第一次循環(huán)和每100次循環(huán)的極限應(yīng)力和耗散能。g)小鼠胚胎成纖維細(xì)胞(L929)在PCL半月板支架和PCL-PNAGA半月板支架上培養(yǎng)1天和3天后的細(xì)胞活力,。

為了探索PCL-PNAGA半月板支架替代半月板的可行性,，研究者也對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)估。如圖4b,、c所示,，半月板支架的周向抗拉強(qiáng)度為3.40±0.19 MPa，楊氏模量為20.15±1.37 MPa,，徑向抗拉強(qiáng)度為1.41±0.08 MPa，楊氏模量為10.43±1.54 MPa,。這表明它可以很好地承受周向和徑向的拉力,，以避免膝關(guān)節(jié)的徑向和縱向撕裂。

圖5. a) 3D打印PCL和PNAGA緩沖PCL半月板替代物在兔模型的植入過(guò)程,。b)術(shù)后4周,、8周、12周(4周,、8周,、12周)股骨髁(FCs)、脛骨平臺(tái)(TPs),、半月板植入物肉眼觀察(比例尺:1cm),。c)國(guó)際軟骨修復(fù)學(xué)會(huì)(ICRS)評(píng)分評(píng)估軟骨退化。

半月板支架的體內(nèi)植入
3D打印PCL-PNAGA半月板替代物在兔模型中的植入過(guò)程如圖5a所示,。通過(guò)宏觀觀察和國(guó)際軟骨修復(fù)協(xié)會(huì)(ICRS)評(píng)分來(lái)檢測(cè)PCL-PNAGA半月板支架的軟骨保護(hù)作用(圖5b,c),。圖5b為兔膝FC和TPs以及植入支架表面的宏觀照片。半月板切除術(shù)組在4周和8周后,，股骨和脛骨表面出現(xiàn)散在性裂隙,，植入時(shí)間較長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)較大裂隙,，軟骨下骨外露,。相比之下，PCL-PNAGA組的FC和TPs呈現(xiàn)完整光滑的表面,，與假手術(shù)組相似,。即使在12周后，PCL-PNAGA組僅觀察到輕微的軟骨表面侵蝕(圖5b),。

圖6. a)術(shù)后4周,、8周和12周(4,、8和12周)股骨髁(FCs)和脛骨平臺(tái)(TPs)的組織學(xué)評(píng)估。b)國(guó)際骨關(guān)節(jié)炎研究學(xué)會(huì)(OARSI)評(píng)估軟骨退化的評(píng)分,。

小結(jié)
研究者設(shè)計(jì)并制作了一種機(jī)械強(qiáng)度高的超分子聚合物水凝膠注入剛性聚己內(nèi)酯(PCL)人造半月板來(lái)模仿天然半月板的微結(jié)構(gòu),。PCL纖維框架首先以徑向和圓周方向3D打印，以模擬天然半月板中的膠原纖維,，從而提供圓周拉伸支撐。氫鍵增強(qiáng)不膨脹聚(n-丙烯酰甘氨酸酰胺)(PNAGA)水凝膠,，其功能為蛋白聚糖類緩沖墊,，然后將具有抗軸向壓縮載荷能力的吸能層填充到3D打印PCL框架中，形成集成的PCL-PNAGA半月板替代品,。周向楊氏模量為20.146±1.369 MPa,，徑向楊氏模量為10.426±1.539 MPa，壓縮模量為1.11±0.14 MPa,，撕裂能為17.00±2.07 kJ m −2,，以耗散外部能量，減少磨損,。3D打印PCL-PNAGA半月板置換術(shù)植入兔膝關(guān)節(jié)12周,。體內(nèi)結(jié)果表明，軟骨結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,，有效保護(hù)軟骨免受磨損,，同時(shí)改善骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。這種PCL-PNAGA半月板替代物具有精細(xì)的仿生微結(jié)構(gòu)和各向異性的生物力學(xué),，可能代表了半月板替代在臨床前應(yīng)用的一個(gè)有前途的策略,。

原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200360