基本信息
- 项目名称：
- “壳-心”纳米纤维与多因子时空控释在组织修复中的研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- ■作品价值：使组织工程纳米级支架具有多因子药物控释功能是科研 人员长期期盼的目标。本作品对临床前交叉韧带（ACL）的损伤和修复机理做了系列研究，并探索其不能自主修复的原因。在此基础上，本作品结合纳米技术进一步提出生物大分子药物控释疗法，将蚕丝丝素与丝胶蛋白微纳颗粒用于包埋“鸡尾酒” 药物，结合3D纳米纤维支架达到根据不同药物性质进行控释的目的。这一方法可广泛应用于其他组织修复工程领域，有望为组织工程提供了新的理论支持和技术指导；还可用于目的基因控释的基因疗法，具有良好的潜在市场价值。作品得到杨雄里院士、K.-L. Paul Sung院士、樊瑜波教授等国内外专家的肯定与推荐。 ■作品创新：1、利用蚕丝丝素与丝胶蛋白微纳颗粒成功包埋多种药 物，结合纳米纤维支架，自主创新性地制备出3D结构的“壳-心”纳米纤维，最终实现多因子药物控释; 2、利用自主改进的静电纺丝技术制备定向有序纳米纤维，首次将纳米纤维和韧带组织工程结合； 3、突破传统的手术治疗思维，将“鸡尾酒”式药物（已获国家发明专利）用于ACL修复，提出一种全新疗法； 4、建立了高真实度的ACL损伤模型。
- 详细介绍：
- 药物释放与组织工程是密切相关的领域，多因子药物控释更是组织工程领域中一个重要的目标。我们利用蚕丝丝素与丝胶蛋白微纳颗粒的亲、疏水性差异对药物进行选择包埋，再通过乳化形式的丝素、丝胶微纳颗粒与聚己内酯进行电纺，自主创新性地制备出了壳心结构的串珠状纳米纤维，其关键在于利用微纳颗粒的不同理化性质来控制因子的释放速率。从而达到多因子复合药物按照组织损伤后机体需要过程控制释放的目的。 作品以ACL修复为例，经研究分析ACL损伤后的病理生理分子机理，我们总结获得了前交叉韧带损伤后不能自主修复的重要原因:ACL损伤后关节液中基质金属蛋白酶的大量累积可能是导致前交叉韧带不能自我修复的关键所在，并且整个关节腔内微环境的变化对韧带修复有至关重要的作用。在细胞水平上对伤口宽度、炎症因子和生长因子等做了更深入的研究基础上，开发出针对ACL损伤后抑制基质金属蛋白酶和炎症因子等表达的“鸡尾酒”药物，动物体内实验已证实经加药治疗后的ACL的修复取得较好的效果；我们再而利用具有3D结构的“壳-心”纳米纤维包埋“鸡尾酒”药物，实现了药物的分时独立释放。最后我们通过数学模型对体外实验的药物释放曲线进行分析得知“鸡尾酒”药物控释效果理想。 作品深入研究了“壳-心”纳米纤维与多因子控释在前交叉韧带损伤与修复中的应用，在空间定向的纳米纤维支架上实现了多种药物根据自身特性按不同时间持续释放的“时空释放”，此方法也广泛适用于其他组织修复工程。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 作品主要目的是研究组织工程纳米级支架具有多因子药物控释功能。我们用蚕丝丝素与丝胶蛋白微纳颗粒对药物进行选择包埋，再通过乳化形式的丝素、丝胶微纳颗粒与聚己内酯进行电纺，自主创新性地制备出3D结构“壳-心”串珠状纳米纤维。再用此纳米纤维包埋“鸡尾酒”药物（已获国家专利），验证其在组织工程领域的应用潜力，实现了药物的分时独立释放。其关键在于利用丝素和丝胶蛋白的亲水性不同，对所包埋的药物进行控释。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：用天然的丝素和丝胶蛋白结合纳米纤维达到多因子药物控释的目的，构思合理，且在韧带组织工程方面证其可行。 先进性：首次实现多因子药物的时空控释，且我们在研究韧带修复机理方面处于国际先进水平。 独特之处：用自主改进的静电纺丝技术制备定向有序纳米纤维，首次将纳米纤维和韧带组织工程结合；将“鸡尾酒”式药物（已获国家发明专利）用于ACL修复，提出一种全新疗法；建立高真实度的ACL损伤模型。
应用价值和现实意义
- 3D结构“壳-心”串珠状纳米纤维能维持生物活性因子的生理活性，又能有效、持续释放各组分，提出的生物大分子混合药物的控释疗法，有助于解决当前临床上ACL损伤修复遇到的各类复杂难题，特别是术后的远景治疗问题。此研究方法与成果可以推广到其他组织修复工程领域，为组织工程提供了新的理论支持和技术指导，有良好的市场应用潜力。
学术论文摘要
- 作品深入研究“壳-心”纳米纤维与多因子控释在ACL损伤与修复中的应用，在空间定向的纳米纤维支架上实现了多种药物根据自身特性按不同时间持续释放的“时空释放”。我们用丝素与丝胶蛋白微纳颗粒的亲、疏水性差异对药物进行选择包埋，再通过乳化形式的丝素、丝胶微纳颗粒与聚己内酯进行电纺，创新性地制备“壳-心”结构的串珠状纳米纤维，其关键在于利用微纳颗粒的不同理化性质来控制因子的释放速率。从而达到多因子复合药物按照组织损伤后机体需要过程控制释放的目的。 作品以ACL修复为例，在研究分析其损伤机理基础上总结获得了ACL损伤后关节液中基质金属蛋白酶的大量累积可能是导致其不能自我修复的主要原因，且整个关节腔内微环境的变化对韧带修复有至关重要的作用。通过对伤口宽度、炎症因子和生长因子等的深入研究，我们开发出针对抑制ACL损伤后基质金属蛋白酶和炎症因子等表达的“鸡尾酒”药物，动物体内实验证实经加药治疗后的ACL的修复取得较好的效果；我们再而利用3D结构“壳-心”纳米纤维包埋“鸡尾酒”药物，实现了药物的分时独立释放。用数学模型对体外实验的药物释放曲线分析得知“鸡尾酒”药物控释效果理想。
获奖情况
- 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. 吕永钢，薛茹月，罗自维，杨力. 述评: 膝关节前交叉韧带修复的组织工程研究进展[J].医用生物力学,2009, 24:158-160. 3. 王业全，陈文琦，钱宇娜，罗自维，汤振宇，薛茹月，张瑾，宋国立，吕永钢，杨力. 机械压应力作用下IL-1α与TNF-α对滑膜细胞MMP-2,-9活性的影响[J].医用生物力学,2009, 24:161-164. 4. 张瑾，罗自维，陈文琦，钱宇娜，汤振宇，薛茹月，王业全，宋国立，吕永钢，杨力.前交叉韧带扭转损伤后关节腔内后交叉韧带中基质金属蛋白酶-II活性的研究[J].医用生物力学,2009,24 :165-168. 5.罗自维.生物力学[J].大学科普, 2009,3:40-42.
鉴定结果
- 未见研究动物ACL损伤装置的报道；首次用静电纺丝技术制备定向有序纳米纤维材料包埋生物因子实现时空控释，应用于韧带组织修复；未见基于蚕丝丝素与丝胶蛋白“心”结构与聚己内酯“壳”结构的纳米纤维的报道。
参考文献
- 1. Expression of MMPs and TIMPs Family in Human ACL and MCL Fibroblasts [J]. Connective Tissue Research, 2009, 50:7–13. 2. 述评: 膝关节前交叉韧带修复的组织工程研究进展[J].医用生物力学,2009,24:158-160. 3. 机械压应力作用下IL-1α与TNF-α对滑膜细胞MMP-2,-9活性的影响[J].医用生物力学,2009, 24:161-164. 4.前交叉韧带扭转损伤后关节腔内后交叉韧带中基质金属蛋白酶-II活性的研究[J].医用生物力学,2009,24 :165-168. 5生物力学[J].大学科普, 2009,3:40-42.
同类课题研究水平概述
- Altman等提示丝素蛋白是制作人工交叉韧带的良好支架材料。因为纳米纤维在力学性质上的局限性，国内外研究人员将纳米纤维用于韧带修复相对较少。然而，GOH等利用静电纺丝结合编织法以聚L-乳酸（PLA）纳米纤维制备了一种新颖的聚合物材料，这种材料既保持了材料的整体力学特性又具备了微纳结构的优点。 纳米颗粒材料具备较大的孔隙率、孔径、比表面积和力学性能，还有释放混合生物活性分子和作为细胞载体的优势，其已成为一种十分有用的生物支架材料。利用纳米颗粒作为载体或缓释系统负载生物活性因子，既能保护生物活性因子的生理活性，又能使生物活性因子缓慢释放，从而持续性地促进组织修复再生。杨志明等用PLA研究生物活性因子在成骨中的作用时成功实现了因子缓释发生。在组织工程中，生物活性因子的应用是一个十分重要的组成部分。众多实验表明，在前交叉韧带（ACL）组织修复过程中，需要大量相关的生物活性因子来刺激韧带细胞的增殖以及胞外基质重建。但迄今并没有有关包埋多种生物活性因子的可控释放的纳米纤维支架材料的文献报道。 Eijk 最近研究发现ACL损伤后过量表达MMPs被认为可能是ACL损伤后不能自我愈合的主要原因。由于缺乏合适的动物模型，对ACL损伤后的修复机理研究还并不深入。目前ACL损伤主要是切断方式，但这种模型与ACL力学损伤的本质相差甚远；且外科手术对关节囊完整性的破坏使得研究人员难以对ACL损伤后关节腔内微环境的变化进行研究。而这些过程对于我们认识ACL损伤机制至关重要。因此有必要建立一种不损伤腔体完整性的ACL损伤模型。当关节受到过大的扭曲力时会导致韧带撕裂。但未见研究动物前交叉韧带损伤模型装置的报道。 ACL损伤后本身和外围组织释放大量的MMPs会降解组织的细胞外基质，这一机制目前被广泛接受。在ACL损伤后修复这个过程中，老化的或受损的组织退化，并被新生组织代替。这个平衡受MMPs和TIMPs协调控制。TIMPs和MMPs是调节组织再生的效应分子，其中MMPs是组织修复过程的退化因子，TIMP是其抑制因子。基于前交叉韧带组织消化与生长之间竞争的平衡策略，而目前尚未发现用以实现这种平衡策略的一个具体“载体”的相关研究。
