天堂网www,免费追剧大全在线观看电视剧,97久久精品无码一区二区欧美人 ,日本丰满少妇高潮呻吟

軟骨無血管、無神經，其內在再生能力有限，因此需要在受傷后進行外部干預。目前的臨床策略主要側重于通過止痛藥和消炎藥來緩解癥狀，目前尚無特效治療方法。

為了解決這一問題，來自北京大學第三醫院的張辛與北京化工大學的蔡晴/喻盈捷團隊合作提出了一種壓電導電支架，由壓電軟骨脫細胞細胞外基質(dECM)和壓電導電改性明膠(Gel-PC)組成。支架的壓電性是通過在孔表面改性二苯丙氨酸(FF)組件實現的，而支架的導電性是通過加入聚(3,4-乙烯二氧噻吩)實現的。支架上層積聚的正電荷吸引BMSC，促使其向上層遷移并向軟骨分化；同時，下層的負電荷誘導BMSC向成骨分化（方案1），為有效修復骨軟骨缺損提供了一個有希望的平臺。

相關研究成果以“Biodegradable Piezoelectric-Conductive Integrated Hydrogel Scaffold for Repair of Osteochondral Defects”為題于2024年9月13日發表在《Advanced Materials》上。    

方案1 用于修復和重建骨軟骨缺損的可生物降解壓電導電支架示意圖

1.水凝膠的制備與表征

為了最大限度地發揮上部壓電材料的電刺激效果，通過集成壓電和導電元件開發了一種可降解的雙層水凝膠（圖1a）。水凝膠的上部支架來自豬軟骨組織的 dECM，用雙鍵改性，并用FF肽功能化。水凝膠支架的下層是通過將導電聚合物PEDOT與Gel-C結合而創建的。上部和下部支架使用人纖維蛋白密封劑套件進行粘合。在循環壓縮之前和之后，上層和下層之間沒有明顯的分離。此外，認識到骨和軟骨再生需要支持細胞遷移的支架，采用梯度冷凍技術制造具有互連大孔結構的支架（圖1b）。經過多次FF肽浸漬處理，實現了FF肽通過自組裝與水凝膠內部的結合，從而制備出雙層水凝膠。  

為了驗證雙層支架的電氣性能，利用電化學工作站獲取支架材料的循環伏安法 (C-V) 曲線和電化學阻抗。將PEDOT添加到凝膠中形成導電明膠 (Gel-P) 和壓電導電明膠(GelPC)，與未改性凝膠相比，其阻抗更低、離子電導率更高、C-V曲線更大。這表明Gel-P和Gel-PC中的電子傳導和存儲容量有所改善（圖 1c-e）。dECM水凝膠的輸出電壓和電流分別約為3 mV和0.25 μA，而dECM-P水凝膠的輸出電壓和電流分別約為20 mV和0.8 μA（圖1f）。此外，FF肽修飾的雙層水凝膠(DPC)的壓電輸出在1000次循環中和至少21天內保持穩定（圖1g、h）。為了模擬雙層支架在體內的實際應用，從上到下模擬了雙層支架的壓縮。有限元分析結果表明上部支架材料發生了較大的變形，應力主要集中在上下部支架界面處，與壓縮試驗結果一致（圖1i、j）。 

圖1 壓電導電水凝膠的物理和化學特性

2.壓電導電水凝膠的體外生物相容性及促分化作用

圖2a概述了體外細胞實驗的過程，其中力電因子刺激細胞實現差異化成骨/軟骨分化。將支架與細胞共培養7天和14天以評估dECM-P和Gel-PC水凝膠的生物相容性。細胞向支架內部遷移，形成三維(3D)培養環境（圖2b）。細胞遷移實驗表明壓電效應顯著促進了細胞遷移（圖2c）。此外，在壓電刺激下觀察到最強烈的鈣離子內流熒光(圖2d)，這種影響歸因于壓電刺激打開離子通道，從而促進細胞遷移。    

為了比較dECM-P和Gel-PC對MSCs分化的影響，進行了單獨的軟骨形成和成骨實驗。通過比較這些組，可以評估力和電在細胞分化中的單獨和聯合作用。阿爾新藍染色在dECM、dECM(+)和dECM-P(+)組中逐漸增強，表明酸性粘多糖合成增加，MSCs的軟骨形成分化增強（圖2e）。對于底層的成骨，堿性磷酸酶(ALP)染色隨著力和電刺激的施加而增加。ALP是骨形成的特定標志物，在力電因子刺激下表現出更大的成骨趨勢，這與茜素紅染色結果一致（圖2f）。qPCR量化幾個軟骨代表基因，包括SRY-Box轉錄因子 9 (SOX9)、聚集蛋白聚糖(ACAN)和COL-II，以及成骨代表基因，包括骨鈣素(OCN)、ALP和I型膠原蛋白。7天和14天，dECM-P(+)組軟骨相關基因表達明顯高于其他組，而Gel-PC(+)組骨相關基因表達最高（圖2g、h）。結果表明，壓電刺激顯著促進MSCs分化。BMSCs的成骨和軟骨形成也與力電因子激活的離子通道有關。

圖2 評估支架的細胞相容性、細胞遷移和細胞分化

3.轉錄組測序揭示力電相互作用在細胞分化中的作用

為了研究力電刺激因子在細胞分化中的作用，作者對上層和下層支架進行了RNA測序。這項分析旨在確定力電通路中影響MSC成骨和軟骨分化的關鍵靶點和分支點。為此，比較了對照組和壓電刺激組中BMSC的整體基因表達譜。通路富集結果表明，Toll樣受體信號通路通過Mg2+調節MSCs軟骨形成，這與體外結果一致。FoxO信號通路是軟骨分化的另一個關鍵組成部分。這些通路為可能的信號傳輸提供了多種選擇（圖3b）。SOX9、COL-II A1和ACAN的RNA測序結果為各組之間的分化提供了進一步的證據（圖3c）。基因集富集分析（GSEA）結果如圖3d所示，表明dECM-P(+)組與細胞因子-細胞因子受體相互作用和細胞粘附分子呈正相關。   

圖3 上層（軟骨形成分化）和下層（成骨分化）的RNA測序

4.全層骨軟骨再生的體內效果評估

基于以上實驗結果，作者進行了體內實驗以驗證壓電導電水凝膠在全層骨軟骨再生的效果（圖4a）。為了確認該材料在體內保留了其壓電特性，我們模擬了兔膝關節，并使用神經電極測量了膝關節運動期間的電輸出。結果表明，關節運動引起的變形產生穩定的電壓輸出，異常波動最小，與實驗設計一致（圖4b）。為了驗證設計的壓電導電支架在生物體中修復的實際效果，模擬了骨軟骨缺損。帕爾馬豬的生理結構與人類相似，因此為臨床應用提供了堅實的基礎，被用作實驗對象。術后6個月收集樣本，并使用成像、病理學和納米力學評估修復效果。膝關節目視觀察顯示，D-PC組軟骨覆蓋完整，缺損中心完全修復并與正常軟骨融合良好。在D-P組中，缺損中心的軟骨得到修復但未完全填充。D-C組和D-N組分別顯示小凹陷和大凹陷，新軟骨形成仍不足以恢復正常功能（圖4c）。國際軟骨修復協會（ICRS）評分顯示兩組之間存在統計學上的顯著差異（圖4d）。磁共振成像（MRI）證實了這些發現。D-N組顯示代表軟骨層的突出顯示白線明顯斷裂，表明軟骨修復不完全。D-C組和D-P組出現一些模糊，表明修復效果不佳。然而，D-PC組顯示連貫的軟骨層，表明修復效果優異（圖4c）。采用微型計算機斷層掃描(micro-CT)評估軟骨下骨的重建修復情況。各組之間的骨小梁厚度存在顯著差異，具有很強的統計學意義(圖4e)。3D重建圖像清楚地說明了這一點，D-PC組看起來更飽滿，而D-N組顯示出明顯的空洞(圖4c)。  

圖4支架在帕爾馬豬膝關節模型中的支架電輸出及骨軟骨缺損修復效果體內測試

通過病理切片及染色（H&E、阿新藍、番紅O/固綠）比較各組修復效果。圖4g中軟骨層從上至下排列為D-N、D-C、D-P、D-PC組，修復效果由纖維組織填充到新生軟骨形成逐漸改善。同樣，軟骨下骨的修復也由空洞進展到小梁有序修復，證明了壓電導電支架在大型動物中的有效修復作用。Seller評分和Wakitani評分進一步證實了修復效果的差異，D-PC組效果最好，其次是D-P組，再次是D-C組，D-N組修復效果最差（圖4h、i）。這些在體實驗凸顯了壓電導電支架優越的修復能力。  

5.納米壓痕測試和重建骨軟骨ECM的各向異性特征

6個月后取樣，進行納米壓痕試驗，分析修復軟骨的表面平整度和力學性能。。D-PC組結果最佳，表面圓潤光滑，峰間間隙很小，與正常軟骨非常相似（圖5a）。隨后，將正常軟骨的彈性模量(Er)和硬度值與四個實驗組進行了比較。D-N 組和 D-C組的力學性能明顯較差，僅為正常軟骨的1-5%。D-P組的Er和硬度值顯著高于D-N組和DC組。然而，這些值顯著低于D-PC組（圖5b、c）。

根據天然軟骨結構，選擇了兩個單獨的感興趣區域(ROI)進行分析，圖5d總結了有關膠原纖維取向的定量結果，在底部區域觀察到了類似的趨勢（圖5e）。為了更好地說明這些趨勢，作者將結果繪制在極坐標圖中，證實D-PC組表現出最有利的膠原纖維排列和整體修復結果（圖5f）。這與總體實驗觀察和細胞預期相一致，強調了壓電導電支架在生物醫學修復應用中的潛力。    

圖5 術后6個月不同組修復組織膠原纖維排列的納米壓痕測試和定量分析

為了模擬人體正常運動過程中的電生理現象，本文設計了一種壓電導電水凝膠支架。體外實驗表明，該支架具有良好的生物相容性，能顯著促進細胞遷移和成軟骨/成骨分化。通過RNA測序技術識別了力電刺激對上下層關鍵靶分子的影響，為后續研究奠定了基礎。大型動物體內植入實驗表明，該支架通過下層導電層的設計滿足了骨區高電輸出的需求，在表面積累正電荷，吸引干細胞遷移，增強軟骨修復效果。值得注意的是，在患有骨軟骨缺損的帕爾馬豬模型中，該支架獲得了良好的修復效果，展示了其臨床治療潛力。    

文章來源：https://doi.org/10.1002/adma.202409400