天津大學劉文廣教授：3D打印超高強度聚合物水凝膠，或可代替受損半月板

來源：高分子科學前沿

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

近日,，天津大學劉文廣教授課題組首次報道了一種高強度超分子聚合物水凝膠緩沖仿生結構半月板置換物,。徑向和周向取向的聚(e-己內酯)(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，氫鍵增強的抗膨脹聚(n -丙烯酰甘氨酸酰胺)(PNAGA)水凝膠,，復制了蛋白聚糖在抗軸向壓縮載荷中的功能,，注入進3D打印PCL框架，從而實現(xiàn)了持久的能量吸收和緩沖功能,，遠優(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節(jié)12周,，體內結果顯示其結構穩(wěn)定,，有效保護軟骨免受磨損，同時改善了骨關節(jié)炎的發(fā)展,。相關工作以“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打印高強度超分子聚合物水凝膠緩沖徑向和周向導向半月板替代品示意圖。

為了模擬微結構特征,，并考慮到機械需求,，研究者提出構建一個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絡,，從而提供機械支持,，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結構的疏水性,，對其進行堿預處理,，以增加PCL與PNAGA的潤濕性和表面接觸面積。

圖1. 不同針型PCL支架的光學顯微圖像(30 G,，內徑0.3 mm,；40G，內徑0.4 mm,；50G,，內徑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)化后通過不同針頭打印的PCL支架。從圖1a,、c中可以看出,，在3D打印過程中，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際直徑,�,？紤]到兔半月板的尺寸較小，最終使用30G型號的針頭3D打印PCL支架進行體內植入,。

PCL-PNAGA支架的制備與表征
為了修復半月板損傷,，延緩骨關節(jié)炎的發(fā)展，本研究提出了一種PCL-PNAGA支架的構建策略,，該支架由剛性PCL框架進行機械支撐,，軟質PNAGA水凝膠進行能量耗散和緩沖。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水凝膠的界面結合,，采用簡單方便的NaOH刻蝕法對3D打印PCL支架表面進行處理,，目的是增強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支架網絡中,，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PCL支架和不同纖維間距PCL-PNAGA支架的力學性能。拉伸強度,，斷裂伸長率,，楊氏模量和斷裂能。

PCL支架和PCL-PNAGA支架的力學性能
為了分析3D打印PCL支架和PCL-PNAGA支架的生物力學性能,，進行了單軸拉伸和無側限壓縮試驗(圖2a-d),。從拉伸應力-應變曲線可以看出，所有支架都經歷了彈性變形,、屈服,、變形發(fā)展,、應變硬化和逐漸破壞五個階段,。隨著纖維間距的增大，排列式PCL支架和交錯式PCL支架的抗拉強度和楊氏模量均呈下降趨勢,，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支架的拉伸強度和楊氏模量也出現(xiàn)了類似的下降,。然而，當單體濃度為30 wt%時,，PCL-PNAGA支架的抗拉強度和楊氏模量均比PNAGA水凝膠提高了約兩個數(shù)量級(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,。盡管它們的力學性能在拉伸強度和楊氏模量方面不如原生半月板,，但PCL-PNAGA支架具有足夠的強度來維持結構的完整性，并發(fā)揮荷載傳遞的功能,。

圖3. a,e)對齊和c,g)交錯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1000個循環(huán),。b,d,f,h)分別計算第一個循環(huán)和每100個循環(huán)對應的極限應力和耗散能。在所有循環(huán)中,，最大應變?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力-應變曲線，c)相應的抗拉強度和楊氏模量,。d) PCL-PNAGA半月板支架沿軸向壓縮應力-應變曲線,。e) PCL-PNAGA半月板支架1000次循環(huán)壓縮加卸載試驗的抗疲勞性能，f)計算對應的第一次循環(huán)和每100次循環(huán)的極限應力和耗散能,。g)小鼠胚胎成纖維細胞(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，研究者也對其力學性能進行了評估,。如圖4b,、c所示，半月板支架的周向抗拉強度為3.40±0.19 MPa,，楊氏模量為20.15±1.37 MPa,，徑向抗拉強度為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程,。b)術后4周,、8周、12周(4周,、8周,、12周)股骨髁(FCs)、脛骨平臺(TPs),、半月板植入物肉眼觀察(比例尺:1cm),。c)國際軟骨修復學會(ICRS)評分評估軟骨退化。

半月板支架的體內植入
3D打印PCL-PNAGA半月板替代物在兔模型中的植入過程如圖5a所示,。通過宏觀觀察和國際軟骨修復協(xié)會(ICRS)評分來檢測PCL-PNAGA半月板支架的軟骨保護作用(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,，植入時間較長，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)術后4周,、8周和12周(4,、8和12周)股骨髁(FCs)和脛骨平臺(TPs)的組織學評估。b)國際骨關節(jié)炎研究學會(OARSI)評估軟骨退化的評分,。

小結
研究者設計并制作了一種機械強度高的超分子聚合物水凝膠注入剛性聚己內酯(PCL)人造半月板來模仿天然半月板的微結構,。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半月板置換術植入兔膝關節(jié)12周,。體內結果表明,，軟骨結構穩(wěn)定，有效保護軟骨免受磨損,，同時改善骨關節(jié)炎的發(fā)展,。這種PCL-PNAGA半月板替代物具有精細的仿生微結構和各向異性的生物力學，可能代表了半月板替代在臨床前應用的一個有前途的策略,。

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