导 语
据康涅狄格大学的研究人员在《自然通讯》杂志上发表的报告称，在将来，可能只需要通过注射凝胶即可修复因活动而受损的关节软骨。
1、研究背景
日常生活中的跑步、攀爬和跳跃等活动会磨损我们的关节软骨，直到骨与骨之间进行直接摩擦，产生剧烈疼痛，这种情况称为骨关节炎。据世界卫生组织称，全球有超过5亿人受到骨关节炎的影响，而膝盖是最常患病的关节。切除或修复受损膝盖软骨的手术很常见，但其成功率不高，很少有成年人能再生软骨。目前已有与人类软骨兼容的支架，并在植入膝盖后促进软骨再生，但此种支架仍需手术进行植入。
2、研究概述
在软骨内存在关节运动或变形时产生的电流。目前研究已经证实，电刺激可能通过补充受损软骨中被损坏的电场，从而对软骨修复产生促进作用。但由于外源电刺激会因周围组织的吸收而显著减弱，而植入电刺激装置会来巨大的感染风险，因此受到限制。压电材料具有在机械应力下自发电的能力，并已经广泛应用于生物医学领域，证明其在骨骼、软骨、骨骼肌、皮肤和神经再生方面的潜力。然而，这种传统压电材料在医学领域的应用受到不可降解或有害物质的限制。
图1：a) 压电水凝胶用于骨关节炎患者示意图。压电水凝胶含有压电聚左旋乳酸短纳米纤维和胶原蛋白水凝胶基质，可以通过关节镜或 X 射线引导注射到膝关节中。压电水凝胶由外部超声设备激活以产生电信号。b-1) 在 X 射线下观察兔子尸体上的膝盖缺损（红色虚线圆圈），并注入可注射压电水凝胶。b-2)使用胰岛素针加载压电水凝胶以测试可注射性（比例尺：1cm）。b-3) 罗丹明B染色聚左旋乳酸短纳米纤维（红色）的荧光图像，以此可视化 I 型胶原蛋白基质内短纳米纤维的分布（比例尺：100 µm）。b-4）固化压电水凝胶的宏观图像（比例尺：1 cm）。
（图片来源于《自然通讯》）
康涅狄格大学的研究人员在文章中介绍一种可生物降解的可注射压电水凝胶，由冷冻切片的压电聚左旋乳酸短纳米纤维(NF-sPLLA)和胶原基质制成，可以注射到关节软骨缺损中，以避免侵入性植入手术，并通过超声激活，以电刺激严重缺损的软骨愈合，治疗骨关节炎。
这种压电水凝胶可以在外部超声下产生局部电荷，以促进细胞迁移、吸引宿主细胞并诱导内源性生长因子，启动软骨化过程，并最终引导细胞外基质蛋白沉淀以治愈软骨组织。研究人员称，在兔子的临界尺寸骨软骨缺损模型中，接受压电水凝胶的个体在超声激活1-2个月后，缺损内的透明软骨和软骨下骨显著再生，具有很强的机械性能。
图2：a) 数码照片显示仅有缺陷的兔股骨、非压电组和压电水凝胶组（有或没有 US 激活）（1-2 个月）。红色圆圈标记了缺陷最初产生的位置。b) 使用 µ-CT 重建股骨上的骨骼。
（图片来源于《自然通讯》）
研究人员还对此种水凝胶进行了为期9周的降解研究。在37℃的条件下，压电聚左旋乳酸短纳米纤维水凝胶支架的体积随着时间推移逐渐减少。该结果表明由此种水凝胶制成的支架是可生物降解的。
该文献同时介绍了此种水凝胶的制备以及各特性参数的测量方法。
3、研究意义
压电聚左旋乳酸短纳米纤维是一种重要的生物材料，可以注入体内治疗严重的软骨缺损。水凝胶与超声激活方法可能适用于其他受损组织的再生，例如骨骼、神经、肌肉、皮肤等。此外，这种水凝胶可以用作创建其他医疗设备的平台，例如可注射压电致动器、传感器、能量收集器和转换器。因此其不仅对组织再生工程领域产生重大影响，而且还可能对其他领域产生重大影响，例如药物输送、健康监测和其他疾病的治疗与预防。
参考文献：Vinikoor, T., Dzidotor, G.K., Le, T.T. et al. Injectable and biodegradable piezoelectric hydrogel for osteoarthritis treatment. Nat Commun 14, 6257 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41594-y
