骨关节炎（OA）是一种普遍存在的关节疾病，会导致软骨组织退化和损坏，从而引发剧烈疼痛，严重限制患者的日常活动。据估计，全世界每年约有 6.54 亿人受到 OA 的影响。目前使用止痛药和消炎药的非手术疗法只能缓解症状，并不能彻底治愈疾病。同时，软骨下骨显微骨折术、灌洗术、清创术和刮除术等手术治疗仅对小的软骨缺损有效。对于严重的关节病变，金标准治疗方法是通过手术植入自体或异体软骨移植物。然而，这些移植物存在供体部位发病、免疫排斥、感染等并发症，尤其是组织供应有限。
因此，利用生物材料支架构建工程软骨移植物的再生工程方法已成为一个重要领域。尽管取得了许多令人鼓舞的成果，但工程移植软骨的临床应用一直受到限制，原因包括：（1）促进软骨愈合的额外生长因子的毒性；（2）干细胞分化的低效率；（3）移植软骨的侵入性手术过程。来自美国康涅狄格大学的Thanh D. Nguyen团队展示了一种可注射、可生物降解的压电水凝胶，它由嵌入胶原基质中的电纺聚左旋乳酸纳米短纤维制成，可注射到关节中，并在超声激活下自我产生局部电刺激，以驱动软骨愈合。
在体外，数据显示压电水凝胶与超声波可促进细胞迁移，诱导干细胞分泌促进软骨生成的 TGF-β1。在体内，接受超声激活压电水凝胶治疗的骨软骨临界大小缺损兔子显示软骨下骨形成增加，透明软骨结构改善，机械性能良好，接近健康的原生软骨。这种压电水凝胶不仅可用于软骨愈合，还可能用于其他组织再生，对再生组织工程领域产生重大影响。相关工作以题为“Injectable and biodegradable piezoelectric hydrogel for osteoarthritis treatment”的文章发表在2023年10月6日的国际顶级期刊《Nature Communications》。本研究制备一种可生物降解的可注射压电水凝胶，它由低温切割的压电短纳米纤维聚乳酸（即所谓的 NF-sPLLA）和胶原基质制成（图 1a），可（1）接种到关节软骨缺损处（图 1b），以避免侵入性植入手术；（2）通过 US 激活，以电刺激严重软骨缺损的愈合，从而治疗 OA。对于每种 PLLA 纳米纤维而言，直接影响其压电特性的两个重要参数是 β 型晶体结构和结晶度。为了评估这些特性，本研究对 NF-sPLLA 进行了一维 X 射线衍射 (XRD) 和差示扫描量热 (DSC)，并与 PLLA 纳米纤维薄膜（命名为薄膜 PLLA）进行了比较。
图 1c 显示，NF-sPLLA 的 XRD 衍射与原始薄膜相似，主要呈现在（200）和（110）晶面上，这表明其存在 β 形结构和压电性。同时，DSC 数据表明，NF-sPLLA 和薄膜 PLLA 的结晶度都在 85% 左右（图 1d）。根据 XRD 和 DSC 结果，本研究发现将纳米纤维薄膜冷冻切成 NF-sPLLA 不会改变材料特性。本研究还使用扫描电子显微镜（SEM）检查了低温切割前后聚乳酸垫纤维的形态。照片显示的是带有独立 PLLA 纳米纤维的 PLLA 垫（图 1g），这使得我们能够切割并成功收集 NF-sPLLA（图 1h）。图 1i 显示了干燥后的 NF-sPLLA 水凝胶的微观结构，NF-sPLLA（红色箭头）均匀地分布在胶原基质中。有趣的是，与原始胶原凝胶相比，在胶原水凝胶中加入 NF-sPLLA 还会产生更多的孔隙。
这一结果与膨胀测试结果一致，即与没有纤维的胶原蛋白水凝胶相比，基于 NF-sPLLA 的胶原蛋白水凝胶保留的水分要高得多。这种特性在组织工程中起着至关重要的作用，因为增加孔隙率有利于促进营养物质和氧气的扩散，从而直接影响细胞的生长和组织的重塑。基于这一发现，本研究认为在胶原中添加 NF-sPLLA 不仅能为支架提供压电性，还能为细胞/组织增殖创造有利的三维结构。接下来，本研究关注了在 US 激活条件下，ADSCs 在压电水凝胶中的软骨形成。值得注意的是，本研究使用 US 的目的是激活压电水凝胶中的电荷，而不是 US 对软骨本身的直接影响。ADSCs 在正常生长培养基中培养，每天用 US 处理 20 分钟，持续 14 天。在整个体外和体内实验中，20 分钟的 US 处理时间保持不变。
本研究评估了压电水凝胶与 US 在基因和蛋白质水平上促进软骨生成的能力。在基因水平上，选择了 COL2A1、ACAN、SOX9 标记来评估体外软骨生成，因为它们对软骨组织至关重要。从图 2a-c 中可以清楚地看到，经过 14 天的细胞刺激后，压电+US 组 COL2A1、ACAN 和 SOX9 这三个基因的表达量比对照组（仅胶原蛋白）高出 9-12 倍。另一方面，与对照组相比，其他组（包括有 US 和无 US 的非压电组，以及无 US 的压电组）仅表现出单个基因（SOX9、ACAN 或 COL2A1）的部分上调，而不是所有三个基因的上调。
这些结果与之前的研究结果一致，在之前的研究中，单独存在纤维或仅引入机械或 US 激活并不能促进软骨形成。在软骨形成研究中，在评估一种生物材料促进软骨形成的能力时，最重要的是要确定该材料是否能促进软骨形成。
为了进行细胞迁移，本研究将 ADSCs 种在玻璃底培养皿中。细胞聚集后，本研究用一致的移液管划伤细胞层去制造体外伤口，并用压电、非压电和对照样本填充伤口床。图 3b 显示了不同组别在 0 小时（伤口形成时）和 24 小时后细胞分布的荧光图像。
很明显，压电+US 组的缺损大部分被迁移的 ADSCs 细胞覆盖，而其他组仍有可识别的伤口床。这表明压电电荷确实能加速细胞迁移。为进一步验证内源性TGF-β1对软骨形成的作用，本研究使用TGF-β抑制剂SB431542调节细胞培养基。一旦在培养基中加入TGF-β抑制剂，干细胞就不再表达COL2A1、SOX9和ACAN基因（图3d-f）。这一证据再次证明了本研究的假设，即压电电荷通过上调内源性生长因子TGF-β1的表达诱导ADSCs软骨分化。图3 激活的压电效应通过聚集干细胞和刺激细胞分泌内源性 TGF-β1 来诱导软骨生成从收集的膝关节中，本研究观察到对照组和假组（未应用 US 或无压电效应）与压电 + US 实验组相比，缺损处的软骨和软骨下骨组织较少（图 4a、b）。总体而言，实验组的宏观外观更好，新生组织与缺损边界结合良好，缺损修复程度更高。经过 2 个月的治疗后，Piezo + US 组的重建组织呈现出光亮的白色软骨，与周围的原生宿主组织更为相似。
此外，本研究还利用 ICRS 标准来评估膝关节101 的健康状况。如图 4c 所示，与其他对照组/沙姆组相比，治疗 1 个月和 2 个月的 US + 压电水凝胶组的大体观察评估结果均有显著的愈合改善。
在关节中，软骨下骨可提供支撑力和弹性，减少关节受力时对软骨的冲击。微计算机断层扫描（µCT）图像和骨量数据显示，治疗 1 个月后，不同组别所有膝关节的新软骨下骨形成率相似。然而，2 个月后，压电+ US 膝关节缺损处的软骨下骨量明显高于其他组和 1 个月的时间点（图 4b，d）。图4 压电水凝胶可促进软骨愈合和体内软骨下骨的形成在组织学评估方面，本研究采用了以下方法：（1）赛凡宁 O/ 快绿染色法观察透明软骨/硫酸化凝胶凝集素；（2）胶原蛋白 II 染色法观察胶原蛋白的形成；胶原蛋白 X 染色法观察肥大软骨细胞。(3) 血色素和伊红（H&E）用于评估组织形态、炎症浸润和细胞凋亡。
如图 5a 所示，经过 1-2 个月的压电治疗后，压电+ US 组患者的缺损处发现了更多的关节软骨。值得注意的是，压电水凝胶 + US 实验组新形成的软骨组织（黑色箭头）与原生宿主组织（黄色标记）结合良好，软骨细胞结构和细胞分布清晰。在机械性能方面，本研究采用纳米压痕法评估了新生成软骨组织的降低模量。图 5c 显示了不同软骨样本（包括健康组织的正常透明软骨）的降低模量。
与其他假组和对照组相比，实验组（压电+ US）在治疗 1 个月和 2 个月后的模量值明显更高。压电处理 2 个月后的模量值（~5.3 ± 0.3 GPa）接近健康原生软骨的模量值（6.04 ± 0.4 GPa）。这也可以从 2 个月压电+US 组的载荷-位移曲线中看出，该曲线更接近于健康的原生软骨（图 5d）。图5 压电水凝胶诱导软骨愈合，通过组织学评估和体内力学测试进行评估本研究开发了一种压电水凝胶，它可以：（1）通过微创过程注入体内，从而避免植入手术；（2）在US的激活下，自我产生电刺激，促进软骨和其他组织的潜在愈合；（3）最终降解为安全的降解副产品，从而避免侵入性切除手术和对身体的任何伤害。
这三个重要优势是其他报道的用于组织再生的水凝胶所不具备的。所介绍的可注射压电水凝胶和US激活方法有可能适用于其他受损组织的再生，如骨、神经、肌肉、皮肤等。
此外，这种压电水凝胶还可用作创建其他可注射设备的平台，如用于其他医疗应用的致动器、传感器、能量收集器和换能器，从而不仅对组织再生工程领域产生重大影响，还可能对药物输送、健康监测和其他疾病治疗/预防等其他领域产生影响。
来源：今日头条EngineeringForLife！
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