光交联人羊膜水凝胶用于脊髓损伤恢复的研究

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脊髓损伤 神经再生 人脱细胞羊膜 复合水凝胶 生物材料

光交联人羊膜水凝胶用于脊髓损伤修复

学术背景

脊髓损伤（Spinal Cord Injury, SCI）是一种严重的神经系统疾病，常导致患者运动功能丧失和生活质量下降。尽管近年来组织工程和再生医学取得了显著进展，但脊髓损伤后的功能恢复仍然是一个全球性的难题。主要问题在于损伤区域新轴突的再生困难以及瘢痕组织的形成阻碍了神经修复。人羊膜（Human Amniotic Membrane, HAM）作为一种生物材料，具有保护神经生长、抑制瘢痕形成和促进新生血管生成的优点，但其较弱的物理性质限制了其在脊髓损伤治疗中的应用。

为了解决这一问题，研究者们尝试通过化学修饰和光交联技术增强人羊膜的机械性能，同时保留其生物活性。本研究通过将人羊膜去细胞化并与甲基丙烯酸酐（Methacrylic Anhydride, MA）化学接枝，再与明胶甲基丙烯酸酯（Gelatin Methacrylate, GelMA）光交联，制备了一种新型的复合水凝胶支架，用于脊髓损伤的修复。

论文来源

本论文由Tao Xu、Changwei Yang、Yang Lu、Heng Wang、Cheng Chen、Yuchen Zhou和Xiaoqing Chen共同撰写，作者均来自南通大学医学院附属医院脊柱外科。论文于2024年11月12日在线发表在《Bio-design and Manufacturing》期刊上，DOI为10.1007/s42242-024-00318-x。

研究流程

1. 人羊膜去细胞化与化学修饰

首先，研究者从南通大学附属医院妇产科获取新鲜的人羊膜，经过磷酸盐缓冲液（PBS）清洗后，进行冻融循环处理，随后用胰蛋白酶-EDTA溶液处理12小时，去除上皮细胞，最终获得去细胞化的人羊膜（Human Acellular Amniotic Membrane, HAAM）。接着，HAAM与甲基丙烯酸酐（MA）进行化学接枝，形成HAAM-MA复合物。通过红外光谱（FTIR）分析，确认了MA的成功接枝。

2. GelMA-HAAM-MA复合水凝胶的制备

将冻干的GelMA溶解在PBS中，加热至70°C使其完全溶解，随后加入HAAM-MA和光引发剂锂苯基（2,4,6-三甲基苯甲酰基）磷酸盐，在紫外光（395-480 nm）照射下进行光交联，形成2毫米厚的凝胶。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，GelMA-HAAM-MA复合水凝胶具有均匀的孔隙结构，平均孔径为26±9微米，适合神经细胞的生长和迁移。

3. 复合水凝胶的机械性能与降解性测试

研究者对HAAM、HAAM-MA、GelMA和GelMA-HAAM-MA四种材料进行了机械拉伸测试。结果显示，GelMA-HAAM-MA的最大负载值为4.18±0.06 MPa，弹性模量为19.69±0.52 MPa，显著优于其他材料。此外，GelMA-HAAM-MA在15天内完全降解，降解速率适中，适合脊髓损伤修复的应用。

4. 体外细胞实验

研究者从新生SD大鼠中提取神经元，与GelMA-HAAM-MA复合水凝胶共培养。结果显示，复合水凝胶能够维持神经元的活性，并在低营养环境下显著提高神经元的存活率。此外，复合水凝胶还能促进人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的增殖和迁移，显示出良好的血管生成能力。

5. 体内动物实验

在SD大鼠的脊髓损伤模型中，研究者将GelMA-HAAM-MA复合水凝胶植入损伤部位。术后4周，通过病理切片和免疫荧光染色观察，发现复合水凝胶显著减少了瘢痕组织的形成，并促进了新生神经元的生长。此外，大鼠的运动功能恢复评分（BBB评分）也显著提高，表明复合水凝胶在促进脊髓损伤修复方面具有显著效果。

主要结果

  1. HAAM-MA的成功制备：通过化学接枝，HAAM-MA保留了人羊膜的生物活性，同时增强了其机械性能。
  2. GelMA-HAAM-MA的优异机械性能：复合水凝胶的最大负载值和弹性模量显著优于纯GelMA和HAAM，适合在脊髓损伤部位长期稳定存在。
  3. 神经元的支持作用：GelMA-HAAM-MA能够维持神经元的活性，并在低营养环境下显著提高神经元的存活率。
  4. 血管生成能力：复合水凝胶促进了HUVECs的增殖和迁移，显示出良好的血管生成能力。
  5. 体内修复效果：在SD大鼠的脊髓损伤模型中，GelMA-HAAM-MA显著减少了瘢痕组织的形成，并促进了新生神经元的生长，大鼠的运动功能恢复评分显著提高。

结论与意义

本研究成功制备了一种新型的光交联GelMA-HAAM-MA复合水凝胶，该材料不仅具有优异的机械性能，还能有效模拟脊髓损伤部位的细胞外基质微环境，促进神经再生和血管生成。在体外和体内实验中，复合水凝胶均显示出良好的生物相容性和修复效果，为脊髓损伤的治疗提供了一种有前景的生物材料。

研究亮点

  1. 创新的材料设计：通过化学接枝和光交联技术，成功将人羊膜与GelMA结合，制备出具有优异机械性能和生物活性的复合水凝胶。
  2. 多功能的修复效果：复合水凝胶不仅能促进神经再生，还能抑制瘢痕形成和促进血管生成，显示出多功能的修复效果。
  3. 显著的体内修复效果：在SD大鼠的脊髓损伤模型中，复合水凝胶显著提高了运动功能的恢复评分，显示出良好的临床应用前景。

其他有价值的信息

本研究的成功为脊髓损伤的修复提供了一种新的思路，未来可以进一步优化复合水凝胶的降解速率和瘢痕抑制效果，以更好地满足临床需求。此外，该材料的制备方法也为其他组织工程材料的开发提供了参考。