基本信息
- 項目名稱：
- “殼-心”納米纖維與多因子時空控釋在組織修復中的研究
- 小類：
- 生命科學
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- ■作品價值：使組織工程納米級支架具有多因子藥物控釋功能是科研 人員長期期盼的目標。本作品對臨床前交叉韌帶（ACL）的損傷和修復機理做了系列研究，并探索其不能自主修復的原因。在此基礎(chǔ)上，本作品結(jié)合納米技術(shù)進一步提出生物大分子藥物控釋療法，將蠶絲絲素與絲膠蛋白微納顆粒用于包埋“雞尾酒” 藥物，結(jié)合3D納米纖維支架達到根據(jù)不同藥物性質(zhì)進行控釋的目的。這一方法可廣泛應(yīng)用于其他組織修復工程領(lǐng)域，有望為組織工程提供了新的理論支持和技術(shù)指導；還可用于目的基因控釋的基因療法，具有良好的潛在市場價值。作品得到楊雄里院士、K.-L. Paul Sung院士、樊瑜波教授等國內(nèi)外專家的肯定與推薦。 ■作品創(chuàng)新：1、利用蠶絲絲素與絲膠蛋白微納顆粒成功包埋多種藥 物，結(jié)合納米纖維支架，自主創(chuàng)新性地制備出3D結(jié)構(gòu)的“殼-心”納米纖維，最終實現(xiàn)多因子藥物控釋; 2、利用自主改進的靜電紡絲技術(shù)制備定向有序納米纖維，首次將納米纖維和韌帶組織工程結(jié)合； 3、突破傳統(tǒng)的手術(shù)治療思維，將“雞尾酒”式藥物（已獲國家發(fā)明專利）用于ACL修復，提出一種全新療法； 4、建立了高真實度的ACL損傷模型。
- 詳細介紹：
- 藥物釋放與組織工程是密切相關(guān)的領(lǐng)域，多因子藥物控釋更是組織工程領(lǐng)域中一個重要的目標。我們利用蠶絲絲素與絲膠蛋白微納顆粒的親、疏水性差異對藥物進行選擇包埋，再通過乳化形式的絲素、絲膠微納顆粒與聚己內(nèi)酯進行電紡，自主創(chuàng)新性地制備出了殼心結(jié)構(gòu)的串珠狀納米纖維，其關(guān)鍵在于利用微納顆粒的不同理化性質(zhì)來控制因子的釋放速率。從而達到多因子復合藥物按照組織損傷后機體需要過程控制釋放的目的。 作品以ACL修復為例，經(jīng)研究分析ACL損傷后的病理生理分子機理，我們總結(jié)獲得了前交叉韌帶損傷后不能自主修復的重要原因:ACL損傷后關(guān)節(jié)液中基質(zhì)金屬蛋白酶的大量累積可能是導致前交叉韌帶不能自我修復的關(guān)鍵所在，并且整個關(guān)節(jié)腔內(nèi)微環(huán)境的變化對韌帶修復有至關(guān)重要的作用。在細胞水平上對傷口寬度、炎癥因子和生長因子等做了更深入的研究基礎(chǔ)上，開發(fā)出針對ACL損傷后抑制基質(zhì)金屬蛋白酶和炎癥因子等表達的“雞尾酒”藥物，動物體內(nèi)實驗已證實經(jīng)加藥治療后的ACL的修復取得較好的效果；我們再而利用具有3D結(jié)構(gòu)的“殼-心”納米纖維包埋“雞尾酒”藥物，實現(xiàn)了藥物的分時獨立釋放。最后我們通過數(shù)學模型對體外實驗的藥物釋放曲線進行分析得知“雞尾酒”藥物控釋效果理想。 作品深入研究了“殼-心”納米纖維與多因子控釋在前交叉韌帶損傷與修復中的應(yīng)用，在空間定向的納米纖維支架上實現(xiàn)了多種藥物根據(jù)自身特性按不同時間持續(xù)釋放的“時空釋放”，此方法也廣泛適用于其他組織修復工程。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 作品主要目的是研究組織工程納米級支架具有多因子藥物控釋功能。我們用蠶絲絲素與絲膠蛋白微納顆粒對藥物進行選擇包埋，再通過乳化形式的絲素、絲膠微納顆粒與聚己內(nèi)酯進行電紡，自主創(chuàng)新性地制備出3D結(jié)構(gòu)“殼-心”串珠狀納米纖維。再用此納米纖維包埋“雞尾酒”藥物（已獲國家專利），驗證其在組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，實現(xiàn)了藥物的分時獨立釋放。其關(guān)鍵在于利用絲素和絲膠蛋白的親水性不同，對所包埋的藥物進行控釋。
科學性、先進性及獨特之處
- 科學性：用天然的絲素和絲膠蛋白結(jié)合納米纖維達到多因子藥物控釋的目的，構(gòu)思合理，且在韌帶組織工程方面證其可行。 先進性：首次實現(xiàn)多因子藥物的時空控釋，且我們在研究韌帶修復機理方面處于國際先進水平。 獨特之處：用自主改進的靜電紡絲技術(shù)制備定向有序納米纖維，首次將納米纖維和韌帶組織工程結(jié)合；將“雞尾酒”式藥物（已獲國家發(fā)明專利）用于ACL修復，提出一種全新療法；建立高真實度的ACL損傷模型。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 3D結(jié)構(gòu)“殼-心”串珠狀納米纖維能維持生物活性因子的生理活性，又能有效、持續(xù)釋放各組分，提出的生物大分子混合藥物的控釋療法，有助于解決當前臨床上ACL損傷修復遇到的各類復雜難題，特別是術(shù)后的遠景治療問題。此研究方法與成果可以推廣到其他組織修復工程領(lǐng)域，為組織工程提供了新的理論支持和技術(shù)指導，有良好的市場應(yīng)用潛力。
學術(shù)論文摘要
- 作品深入研究“殼-心”納米纖維與多因子控釋在ACL損傷與修復中的應(yīng)用，在空間定向的納米纖維支架上實現(xiàn)了多種藥物根據(jù)自身特性按不同時間持續(xù)釋放的“時空釋放”。我們用絲素與絲膠蛋白微納顆粒的親、疏水性差異對藥物進行選擇包埋，再通過乳化形式的絲素、絲膠微納顆粒與聚己內(nèi)酯進行電紡，創(chuàng)新性地制備“殼-心”結(jié)構(gòu)的串珠狀納米纖維，其關(guān)鍵在于利用微納顆粒的不同理化性質(zhì)來控制因子的釋放速率。從而達到多因子復合藥物按照組織損傷后機體需要過程控制釋放的目的。 作品以ACL修復為例，在研究分析其損傷機理基礎(chǔ)上總結(jié)獲得了ACL損傷后關(guān)節(jié)液中基質(zhì)金屬蛋白酶的大量累積可能是導致其不能自我修復的主要原因，且整個關(guān)節(jié)腔內(nèi)微環(huán)境的變化對韌帶修復有至關(guān)重要的作用。通過對傷口寬度、炎癥因子和生長因子等的深入研究，我們開發(fā)出針對抑制ACL損傷后基質(zhì)金屬蛋白酶和炎癥因子等表達的“雞尾酒”藥物，動物體內(nèi)實驗證實經(jīng)加藥治療后的ACL的修復取得較好的效果；我們再而利用3D結(jié)構(gòu)“殼-心”納米纖維包埋“雞尾酒”藥物，實現(xiàn)了藥物的分時獨立釋放。用數(shù)學模型對體外實驗的藥物釋放曲線分析得知“雞尾酒”藥物控釋效果理想。
獲獎情況
- 1. Jin Zhang; Li Yang ; Zhenyu Tang ; Ruyue Xue ; Yequan Wang ; Ziwei Luo; Wei Huang ; K. L. Paul Sung. Expression of MMPs and TIMPs Family in Human ACL and MCL Fibroblasts [J]. Connective Tissue Research, 2009, 50:7–13. 2. 呂永鋼，薛茹月，羅自維，楊力. 述評: 膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶修復的組織工程研究進展[J].醫(yī)用生物力學,2009, 24:158-160. 3. 王業(yè)全，陳文琦，錢宇娜，羅自維，湯振宇，薛茹月，張瑾，宋國立，呂永鋼，楊力. 機械壓應(yīng)力作用下IL-1α與TNF-α對滑膜細胞MMP-2,-9活性的影響[J].醫(yī)用生物力學,2009, 24:161-164. 4. 張瑾，羅自維，陳文琦，錢宇娜，湯振宇，薛茹月，王業(yè)全，宋國立，呂永鋼，楊力.前交叉韌帶扭轉(zhuǎn)損傷后關(guān)節(jié)腔內(nèi)后交叉韌帶中基質(zhì)金屬蛋白酶-II活性的研究[J].醫(yī)用生物力學,2009,24 :165-168. 5.羅自維.生物力學[J].大學科普, 2009,3:40-42.
鑒定結(jié)果
- 未見研究動物ACL損傷裝置的報道；首次用靜電紡絲技術(shù)制備定向有序納米纖維材料包埋生物因子實現(xiàn)時空控釋，應(yīng)用于韌帶組織修復；未見基于蠶絲絲素與絲膠蛋白“心”結(jié)構(gòu)與聚己內(nèi)酯“殼”結(jié)構(gòu)的納米纖維的報道。
參考文獻
- 1. Expression of MMPs and TIMPs Family in Human ACL and MCL Fibroblasts [J]. Connective Tissue Research, 2009, 50:7–13. 2. 述評: 膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶修復的組織工程研究進展[J].醫(yī)用生物力學,2009,24:158-160. 3. 機械壓應(yīng)力作用下IL-1α與TNF-α對滑膜細胞MMP-2,-9活性的影響[J].醫(yī)用生物力學,2009, 24:161-164. 4.前交叉韌帶扭轉(zhuǎn)損傷后關(guān)節(jié)腔內(nèi)后交叉韌帶中基質(zhì)金屬蛋白酶-II活性的研究[J].醫(yī)用生物力學,2009,24 :165-168. 5生物力學[J].大學科普, 2009,3:40-42.
同類課題研究水平概述
- Altman等提示絲素蛋白是制作人工交叉韌帶的良好支架材料。因為納米纖維在力學性質(zhì)上的局限性，國內(nèi)外研究人員將納米纖維用于韌帶修復相對較少。然而，GOH等利用靜電紡絲結(jié)合編織法以聚L-乳酸（PLA）納米纖維制備了一種新穎的聚合物材料，這種材料既保持了材料的整體力學特性又具備了微納結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。 納米顆粒材料具備較大的孔隙率、孔徑、比表面積和力學性能，還有釋放混合生物活性分子和作為細胞載體的優(yōu)勢，其已成為一種十分有用的生物支架材料。利用納米顆粒作為載體或緩釋系統(tǒng)負載生物活性因子，既能保護生物活性因子的生理活性，又能使生物活性因子緩慢釋放，從而持續(xù)性地促進組織修復再生。楊志明等用PLA研究生物活性因子在成骨中的作用時成功實現(xiàn)了因子緩釋發(fā)生。在組織工程中，生物活性因子的應(yīng)用是一個十分重要的組成部分。眾多實驗表明，在前交叉韌帶（ACL）組織修復過程中，需要大量相關(guān)的生物活性因子來刺激韌帶細胞的增殖以及胞外基質(zhì)重建。但迄今并沒有有關(guān)包埋多種生物活性因子的可控釋放的納米纖維支架材料的文獻報道。 Eijk 最近研究發(fā)現(xiàn)ACL損傷后過量表達MMPs被認為可能是ACL損傷后不能自我愈合的主要原因。由于缺乏合適的動物模型，對ACL損傷后的修復機理研究還并不深入。目前ACL損傷主要是切斷方式，但這種模型與ACL力學損傷的本質(zhì)相差甚遠；且外科手術(shù)對關(guān)節(jié)囊完整性的破壞使得研究人員難以對ACL損傷后關(guān)節(jié)腔內(nèi)微環(huán)境的變化進行研究。而這些過程對于我們認識ACL損傷機制至關(guān)重要。因此有必要建立一種不損傷腔體完整性的ACL損傷模型。當關(guān)節(jié)受到過大的扭曲力時會導致韌帶撕裂。但未見研究動物前交叉韌帶損傷模型裝置的報道。 ACL損傷后本身和外圍組織釋放大量的MMPs會降解組織的細胞外基質(zhì)，這一機制目前被廣泛接受。在ACL損傷后修復這個過程中，老化的或受損的組織退化，并被新生組織代替。這個平衡受MMPs和TIMPs協(xié)調(diào)控制。TIMPs和MMPs是調(diào)節(jié)組織再生的效應(yīng)分子，其中MMPs是組織修復過程的退化因子，TIMP是其抑制因子?；谇敖徊骓g帶組織消化與生長之間競爭的平衡策略，而目前尚未發(fā)現(xiàn)用以實現(xiàn)這種平衡策略的一個具體“載體”的相關(guān)研究。
