《自然·通讯》用于骨关节炎治疗的可注射和可生物降解压电水凝胶！

(T(Tra Vinikoor, Godwin K. Dzidotor, Thinh T. Le, Yang Liu. Injectable and biodegradable piezoelectric hydrogel for osteoarthritis treatment. Nature Communications, 2023, 14(1): 6257.)

骨关节炎 (OA) 是一种常见的关节疾病，会导致软骨组织退化和损伤，从而引起剧烈疼痛并严重限制患者的日常功能。目前治疗手段存在其局限性，利用生物材料支架构建工程软骨移植的再生工程方法已成为一个重要领域。聚-L-乳酸（PLLA）作为可生物降解的有机压电材料，具有出色的安全性，最近已成为传统压电材料的替代品。而研究发现电刺激 (ES) 对促进组织再生有显著作用，尤其是对骨骼和软骨。因此，通过PLLA植入骨软骨缺损位置，利用超声激活使其产生电刺激，不失为一种新的可行策略。

图1展示了可注射型压电水凝胶的示意图和表征结果，作者制备了一种可生物降解的可注射压电水凝胶，它是由PLLA（NF-sPLLA）和胶原基质的低温切片压电短纳米纤维制成，可以接种到关节软骨缺损处以避免侵入性植入手术并且由超声激活通过电刺激促进严重软骨缺损的愈合以治疗骨关节炎。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如TGF-β1，促进软骨的形成进而治疗骨关节炎 。

图1.可注射压电水凝胶的材料性能表征。

图2展示了压电水凝胶用于软骨形成的体外研究。作者研究了在超声激活下，接种在压电水凝胶中的脂肪干细胞的软骨分化能力。将脂肪干细胞在正常生长培养基中培养，并用超声处理，每天20分钟，持续14天。在体外和体内实验中，20分钟的超声治疗时间保持不变。经过14天的超声处理后，超声激活的压电水凝胶这一组（Piezo+US）的软骨表达基因COL2A1、ACAN与SOX9的表达量比对照组高出9-12倍（图2a-c），单独引入超声激活并不能增强软骨形成。并且在超声激活的压电水凝胶上的细胞在正常生长和软骨形成培养基中均合成了大量糖胺聚糖。此外水凝胶中不同浓度的NF-sPLLA对细胞行为的调节不同，为了提供了最佳的整体压电性能及COL2A1最佳的基因表达，最终选择了5 mg/mL浓度的NF-sPLLA水凝胶。结果表明，超声激活的压电水凝胶上调软骨形成基因，包括来自培养的干细胞的COL2A1、ACAN和SOX9，导致体外GAG和II型胶原含量增加。此外，超声激活下的压电水凝胶可以通过减少巨噬细胞产生的TNF-α来减轻炎症。超声激活NF-sPLA水凝胶产生的局部压电电荷在诱导干细胞向软骨分化中起重要作用。

图2.压电水凝胶用于软骨形成的体外研究。

图3探究了超声激活压电水凝胶对刺激干细胞分泌内源性TGF-β1诱导软骨形成的影响。研究表明，电刺激通过诱导细胞迁移和促进软骨形成的TGF-β1的释放来促进软骨形成。因此，作者假设在超声激活下由水凝胶产生的电刺激可以具有相同的工作机制。为了验证假设，作者研究了细胞迁移，TGF-β1基因表达，以及TGF-β1阻断剂对软骨细胞基因标志物的影响。结果表明压电电荷通过上调内源性生长因子TGF-β1的表达诱导脂肪干细胞向软骨细胞分化。机制研究表明，超声激活的压电水凝胶可以启动再生过程，募集宿主细胞，诱导细胞分泌TGF-β细胞因子，通过自分泌途径向软骨细胞分化。最后，这些软骨细胞沉积软骨基质以再生缺损的组织。

图3.压电通过刺激细胞分泌内源性TGF-β1诱导软骨形成。

图4、图5展示了压电水凝胶促进体内软骨愈合和软骨下骨形成的能力。在完成材料表征和体外研究后，作者使用具有临界尺寸骨软骨缺损的兔模型进行体内实验。将总共24只家兔随机分为6组（仅缺损组、非压电组、压电组、缺损+超声组、非压电+超声组和实验组压电+超声组）和2个时间点（超声激活/治疗的1个月和2个月）。手术当天，当创建缺损时，将30 µl不同的水凝胶注射到缺损中，并等待5分钟，以使水凝胶凝固，然后缝合以闭合伤口。在体外研究中，动物接受相同的超声参数每天20分钟超声治疗，每周5天，持续1或2个月。治疗1-2个月后，取膝关节标本，采用宏观评价、组织学评价、力学表征和新的软骨下骨定量方法进行分析。与Piezo + US实验组相比，对照组和假手术组的缺损中软骨和软骨下骨组织较少（图4a，b）。总的来说，实验组具有更好的宏观外观，新组织与缺损边缘结合良好，并且具有更高程度的缺损修复。治疗2个月后，Piezo + US中的重组组织显示出有光泽的白色软骨，其更类似于周围的天然宿主组织。

图4.压电水凝胶增强软骨愈合，对软骨下骨形成进行评估。

图5.压电水凝胶诱导软骨愈合，通过组织学评估和体内机械测试进行评估。

结论

此文开发了一种可降解的压电水凝胶，它可以通过超声激活自我产生电刺激，以促进软骨再生。该水凝胶通过简单的关节内注射实现植入,避免了开放性手术的风险;超声可以透过组织层有效激活水凝胶的压电性能。细胞和动物模型实验均证实,该压电水凝胶可以促进干细胞向软骨细胞定向分化并促进软骨修复。文中所提出的可注射压电水凝胶潜在地适用于其他受损组织的再生，例如骨、神经、肌肉、皮肤等。此外，这种压电水凝胶可以用作平台以创建其他可注射装置，例如用于其他医疗应用的致动器、传感器、能量采集器和换能器，因此，不仅对组织再生工程领域，而且可能对其他领域如药物递送、健康监测和其他疾病治疗预防产生重大影响。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41594-y

来源：Y L的卡布奇诺