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不忘初心 打造关节再生修复功能材料
——记中科院宁波材料所付俊课题组

发布时间:2018-01-10 阅读数:3115

 关节软骨是滑膜关节中一个关键的结缔组织。由于缺少血液和营养供给,关节软骨在遭受创伤或发生退行性病变后,难以自愈。当前,临床一般采用自体或异体软骨移植方法修补病损关节软骨,但效果并不理想。随着人类寿命的延长,关节疾病日益成为威胁人类健康的顽固性疾病之一。从组织工程学出发,开发促进关节软骨组织再生新技术,是生物医学领域重要的、多学科交叉的前沿课题。

 关节软骨组织是典型的水凝胶结构。因此,组织工程领域广泛地采用高分子水凝胶作为支架材料,以支持和促进软骨的再生与修复。自上世纪80年代以来,国内外科学家开展了大量相关的研究工作,制备了强度韧性及润滑性能与关节软骨相媲美水凝胶材料;甚至实现了软骨组织再生。然而,这些人工材料在结构、物理性能、生物功能方面仍与天然关节软骨存在明显的差异,因此,国内外的学者试图制备具有良好仿生结构、生物功能、力学性能和润滑性能的水凝胶材料,以促进关节软骨再生修复。

 中国科学院宁波材料技术与工程研究所付俊研究员课题组长期专门从事关节修复与替代相关高分子材料研究。自2013年起,付俊主持的仿生纳米复合高分子水凝胶制备及其结构与生物功能调控项目获得浙江省自然科学基金项目资助,重点围绕具有仿生结构与生物功能的高分子水凝胶及其器件开展了创新研究。

 付俊于2005年获中国科学院长春应用化学研究所博士学位,先后留学于德国马普高分子研究所和美国哈佛医学院附属麻省总医院等著名研究机构。近年着重研究用于关节修复与置换的高性能与生物功能型高分子复合材料,研究材料生物安全性,取得了一系列的创新研究成果,为研究和开发具有应用价值的生物组织工程器件奠定了基础。


  “天然的关节软骨非常润滑,可长期承受人类日常活动产生的载荷和冲击,这主要归因于其精巧的多层次结构。迄今,人工制备的关节软骨组织工程材料在润滑性、耐磨性以及强度韧性等方面与天然关节软骨还存在很大的差距。付俊告诉记者,学术界一直致力于构筑高度仿生的、没有界面、结构和生物活性呈仿生梯度分布的组织工程支架。难度很大。

  高分子水凝胶的机械性能、物理形貌和生物活性对细胞行为具有重要的调控作用。利用这些效应,国内外学者发展了大量的制备方法来构建仿生梯度水凝胶,诱导细胞定向生长与分化,以期实现对组织的仿生再生修复。这些方法大都比较复杂。如何建立一种简便易行、易规模化制备的新方法,构筑具有仿生梯度生物活性的水凝胶,诱导细胞在水凝胶中定向生长,是付俊团队一直努力的方向。

 调控生物活性物质在水凝胶中的梯度分布,是构筑仿生梯度组织工程支架的一条基本思路。但是,如何跳出传统的思路,另辟蹊径,不是一件容易的事。

 羟基磷灰石是骨组织中的天然矿物成份,有优异的骨传导特性。付俊团队研究发现,磁性纳米颗粒也能显著地促进细胞生长。因此,他们制备了羟基磷灰石和氧化铁复合纳米颗粒,利用磁场来诱导磁性纳米颗粒在水凝胶中定向迁移,可以方便地构筑梯度水凝胶。可以精确地操控纳米颗粒在水凝胶中的梯度分布。获得的材料具有显著的诱导细胞定向迁移的作用。

 在此基础上,将磁性纳米颗粒作为载体,搭载生物活性物质,可进一步实现细胞的定向调控。经过多次实验,尝试了多种天然材料,总结规律,终于揭示了天然多糖分子与纳米羟基磷灰石等生物活性物质协同作用,促进细胞黏附与生长的规律,实现了对细胞生长行为的调控。动物试验表明,仿生梯度水凝胶支架对关节软骨缺损具有良好的修复作用。为发展新型组织工程支架,实现关节软骨再生修复,提供了重要的新思路和新方法。

  “这个项目实施的过程,充满了曲折和风险,付俊感叹道。项目团队克服重重困难,最终取得了丰富的研究成果。项目相关成果已发表 SCI论文23篇,申请发明专利4项。论文累计被引用180次。在这个项目实施过程中,他们还在仿生理念指引下,拓展了仿生水凝胶器件研究方向,获得了国家自然科学基金资助。这些成绩逐渐形成了一定的影响力,付俊多次应邀在国内国际生物材料会议担任召集人、分会主席,或作邀请报告,在国际上不断地发出国人的声音。

 回首自己的科研经历,付俊感慨颇多。他告诉记者,做科研不是一蹴而就的,唯有认准目标,不忘初心,勤奋耕耘,顺应科技进步的洪流,才能有所成就。展望未来,付俊充满信心。他和团队将继续攻克关节再生与修复领域的前沿课题,力争早日实现科技成果的应用。

 
(浙江省科技信息研究院传播中心记者 王明月;通讯员 缪静)

 

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