《自然·通讯》丝素蛋白水凝胶胶粘剂可实现半月板撕裂的密封重建

【摘要】

缝合修复仍然是治疗半月板变异撕裂的黄金手段。然而，与再撕裂易感性相伴的难以接近的撕裂仍未解决。为了从粘附和再生的角度扩展半月板修复工具，本研究设计了一种由甲基丙烯酸丝素蛋白与负载与生长因子TGF-β1的苯硼酸离子液体交联组成的双功能生物释放生物粘合剂（S-PIL10），将化学机械修复与内半月板再生相结合。

与纯丝素蛋白凝胶相比，由苯硼酸离子液体（PIL）富集的β-sheet和氢键的超分子相互作用可增强湿附着力、抗溶胀性和抗疲劳能力。此外，S-PIL10通过动态硼酸酯键影响炎症微环境，进一步强化局部半月板撕裂修复，S-PIL10持续释放TGF-β1用于细胞募集和缺陷边缘桥接。兔体内模型在功能上证明了半月板撕裂的无缝和密集重建，验证了半月板粘合剂的概念是可行的，并为修复半月板撕裂的临床前研究提供了有前途的革命性策略。

【研究内容】

制备了一种水凝胶粘合剂S-PIL10，它涉及SFMA，苯硼酸离子液体（PIL）和生长因子TGF-β1，具有暂时凝固的特性，可以桥接半月板撕裂并加速自我再生。

图1 SFMA/PIL/TGF-β1半月板水凝胶胶粘剂的形成工艺及半月板粘合剂的性能及其在半月板撕裂修复中的应用。

图2甲基丙烯酸化丝素蛋白（SFMA）与PIL的合成反应。

A, 甲基丙烯酸丝素(SFMA)与PIL的合成反应。

B, PIL的1HNMR谱图。

C, 紫外光照射后的C-S-PIL凝胶。

D, 不同浓度的PIL对S-Gel的流变学表征

E, XPS全谱分析。

F, S-PIL10的b1sXPS信号。

G, 不同浓度的PIL对S-Gel的FTIR光谱的影响。

H, 用高斯曲线拟合FTIR光谱定量分析S-PIL10的二级结构。

I, SFMA和PIL在网络中的多重交互。

J, S-PIL10的SEM图像及相应的EDS元素映射。

图3 S-PIL系列的粘接性能和机械性能。

A, 半月板切片搭接剪切试验示意图。

B, 不同浓度PIL与半月板片黏合S-Gel的载荷位移曲线及搭接剪切强度。

S-Gel和S-PIL10在PBS缓冲液中的溶胀条件(C)和溶胀比(D)

E, S-PIL10与报道的胶粘剂比较的Ashby图。

F, 1000次循环压缩加卸载试验S-PIL10的宏观图和应力-应变曲线。

G, S-PIL10粘附半月板后的扭转和水冲洗。

H, S-PIL凝胶粘合半月板撕裂的载荷-位移曲线及S-PIL10与半月板界面的SEM图像。

I, S-PIL粘合半月板撕裂60天后的保留情况。

图4 半月板粘合剂的生物相容性和离体治疗。

A, 与水凝胶共培养和活/死细胞测定的示意图。

B, 水凝胶共培养兔半月板细胞7天内细胞活力的测定。

C, 细胞计数试剂盒8 (CCK-8)检测兔半月板细胞与水凝胶共培养7天。

D, 半月板细胞阿利新蓝(AB)染色和免疫荧光染色。

E, 2周时S-Gel和S-PIL10中半月板相关基因(Sox9、Col2a1和ACAN)的表达。

F, S-Gel和S-PIL10的TFG-β1释放时间曲线。

G, 半月板撕裂后炎症状况及S-Gel和S-PIL10对DDPH和PTIO的清除作用。

图5 体内8周后半月板撕裂的修复效果及体内关节软骨磨损的评价。

A, 半月板撕裂建模和粘接剂修复过程:第一步:内侧副韧带横断;步骤2:半月板向股骨方向暴露;第三步:切开半月板全厚度;步骤4：S-PIL胶粘剂的原位密封;第5步:用紫外线固化并缝合伤口。

B, 半月板桡骨撕裂2个月后半月板宏观图

C, 苏木精;伊红(H&E)染色及免疫荧光对桡骨撕裂半月板修复后I、II型胶原的影响。

D, 半月板桡骨撕裂后股骨髁(FCs)和胫骨平台(TPs)番红O-固绿染色

【总结】

水凝胶胶粘剂S-PIL10通过结合定制离子液体和羟基的动态硼酸酯键，具有抗炎特性，可清除活性氧（ROS）并改善撕裂半月板的微环境，水凝胶S-PIL10具备这些优越性能。在新西兰白兔各类半月板撕裂中表现出优异的修复性能，证明了S-PIL10的强粘附性能与TGF-β1的功能在修复过程中相辅相成。

然而，研究仍然存在一些局限性。兔模型的半月板与人类半月板不同，今后的研究应采用较大的动物，修复性能在临床治疗中可能更有说服力。此外，兔子术后立即采用半月板粘合剂S-PIL10治疗，而慢性半月板病变在临床上更常见，S-PIL10对不明显和渐进性撕裂的治疗效果有待进一步验证。

来源：海洋生物材料