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  • DeepTech深科技
  • 2022年11月26日03时

    伤筋动骨不必非得100天,北航团队联合研发可拉伸螺旋纤维支架,让损伤组织可以边运动边愈合


    “伤筋动骨一百天”,真的只能这样吗?
    运动、事故、灾害等,常常会造成运动组织损伤,传统治疗方法需要固定或卧床静养,以及尽量避免运动。大部分骨折的愈合时间一般在 3 个月,故有“伤筋动骨一百天”的说法。
    千百年来,这种静养恢复疗法被认为是理所当然的。但是,长时间的静养会加重伤病患者的肌肉萎缩、韧带松弛、关节僵直以及造成损伤组织的粘连等并发症。
    而“生命在于运动”这句谚语告诉我们,只有保持适当的运动刺激才能保证人体正常功能和生命健康。
    这两种看似矛盾的观点其实背后各有道理:一方面,对于损伤组织来说,它需要一定时间和相对静态的环境来完成自修复;另一方面,身体未受损的部位和已修复的组织需要保持适当的活动从而促进代谢,以便实现快速修复。
    那么,如何平衡运动与静养的关系,在保证受损组织快速修复的前提下,尽早进行恢复活动,进而是否有可能在不影响组织修复的前提下进行适当的运动,打破“静养-运动”的矛盾?
    无需长期静养,也能让损伤机体得到修复
    为了实现这一愿景,北京航空航天大学化学学院赵勇教授和空军军医大学口腔医院孔亮教授,联合提出“动态修复”的概念,在无需长期静养的前提下,让损伤机体在适当的运动中得到愈合和修复。
    图 | 赵勇(来源:赵勇
    概括来说,这项工作提出了一种颠覆性的运动组织损伤动态修复策略。课题组预期它将在运动损伤的快速恢复、组织重建、事故紧急处理、战场应急治疗等场景中发挥新的作用。
    对于相关论文评审专家表示,在生物相容性聚合物层之间,研究人员夹放了一种强而有弹性的聚合物。然后,将分层聚合物的细条缠绕成纱线再次缠绕纱线,直到它结成螺旋状的支架。
    最终制成的支架被拉伸到其初始长度的 1.5 倍,长循环 4 万次后仍能保持稳定的螺旋结构。在模拟坚韧而有弹性的结缔组织纤维上,它是一种很好的候选材料。
    并且,该团队还在支架上植入了大鼠骨髓细胞,一周内就已覆盖整个支架。当拉伸覆盖细胞的支架时,支架会变形、但是细胞没有变形,这让细胞得以存活。
    此前,针对这种避免细胞受到损伤的现象,学界的研究比较稀少。而本次研究,弥补了一定的空白。
    可以说,该工作提出了一种颠覆性的运动组织损伤动态修复策略,可以赋能组织再生和人工器官平台的临床转化。
    在应用设想上,该团队最终想法是让“损伤组织可以一边适当运动一边生长”。如能实现,组织损伤的患者的恢复时间,将得到大大缩短。
    未来,它有望在运动损伤的快速恢复、组织重建、事故紧急处理和许多野生救援场景中发挥新的作用。

    采用三明治结构涉及,带来良好的生物相容性
    详细来说,课题组从仿生角度出发,通过模拟体内损伤组织的结构和功能,他们建立了一个具有高伸展性的分层螺旋支架,它不仅在结构上与天然组织相似,而且还与天然组织的机械性能相匹配。
    由于支架结构的非平面运动,减轻了拉伸过程中的局部最大应变,因此该支架上的细胞可以在循环应变下保持较高的成活率。
    体内实验表明,对于细胞生长和组织形态的形成,该支架提供了一个稳定的结构和机械微环境。
    同时,这种螺旋状的支架打破了固定修复的思维定势,在适度运动的情况下,让受损组织的重建成为可能。
    研究中,该团队制备了一种 PCL/PU/PCL 三明治结构的静电纺丝纳米纤维复合膜,其具有良好生物相容性。
    其中,聚己内酯(polycaprolactone,PCL)作为皮层,聚氨酯(polyurethane,PU)作为芯层。然后,他们将纤维膜加捻成直纱,再进一步过捻形成螺旋纱线支架。
    (来源:Matter
    面对拉伸过程中的非平面变形,这种三维螺旋纤维支架可以很好地缓冲细胞的受力和变形。所以,在动态培养过程中,螺旋纤维支架的细胞活性明显优于直线性纤维。
    当将该螺旋纤维支架植入小鼠,并在非固定情况下研究其组织修复行为时,即可发现随着植入时间的增加,细胞逐渐向支架内部浸润生长。
    同时,胶原纤维和肌纤维在支架边界处沉积,这说明对于细胞生长和组织再生,螺旋纤维支架可以提供稳定的力学微环境,从而助力于缺损组织的愈合。
    宏观运动行为的实验显示,在植入初期,螺旋状支架可以迅速代替受损肌腱的功能。即使在无固定条件下,受试小鼠也能控制自主运动,从而促进新组织的再生、以及损伤组织的修复,同时还可以防止肌肉萎缩。
    近日,相关论文以《用于运动组织动态再生的仿生可拉伸螺旋纳米纤维纱线支架》(Bioinspired stretchable helical nanofiber yarn scaffold for locomotive tissue dynamic regeneration)为题,发表在 Matter 上 [1]。
    图 | 相关论文(来源:Matter
    北京航空航天大学化学学院博士生王雅琼、空军军医大学刘富伟博士、北京航空航天大学王女副教授为论文共同一作,赵勇教授和孔亮教授担任共同通讯作者,北航化学学院江雷院士与空军军医大学口腔医学院赵铱民院士参与指导了本次工作。
    另据悉,该研究也得到了 Nature 杂志 Research highlight 栏目的关注,其以《A springy tissue scaffold allows healing on the run》(螺旋支架可以在运动中促进损伤组织愈合)为题报道了本次成果。
    仅材料的夹具零件,就曾尝试几十种
    此外,该研究涉及到化学、材料、生物、力学、机械等多个学科,是一个典型的交叉科学研究。
    万事开头难,在初期探索阶段,课题组了解到:目前的细胞培养都是在固定基底上完成。
    基于此,他们在实验过程中发现,细胞不仅仅能够在三维支架上生长,而且取向纳米纤维结构会使得细胞表型发生改变,从而影响干细胞的分化。
    随后,研究目标调整为:探究动态拉伸下细胞在螺旋支架上生长状态。但是,对于动态培养细胞生物反应器是非常少的,所以他们又把研究重心转移到设计组装合适的动态培养装置。
    最后,基于此前体外细胞与支架作用的研究,该团队将支架植入到大鼠组织缺损模型,以便探索非固定状态下的组织修复效果这一核心问题。
    而在动态细胞培养装置的设计上,由于动态拉伸情况下细胞培养之前几乎没有先例,因此他们找不到合适的装置来进行这个实验。
    后来,研究团队终于自主设计和制造出一种合适的装置,但也经历了三次升级:从最初的手动拉伸、到最后的程序化自动拉伸,包含多轮修改和多轮验证。
    其中,光是材料的夹具零件,课题组就尝试了几十种。最终,此次研究得以顺利完成。
    目前,该成果在小鼠体内得到了很好的验证。下阶段,他们希望将该支架植入到大动物体内,观察在运动状态中组织的修复能力。由于大动物肌腱尺寸也比较大,这要求研究人员对材料结构尺寸进行适应性改进以满足要求。
    最终目标是用于人体组织的快速修复。此外,现有的材料体系不能被完全降解吸收,研究团队也希望寻找到降解速率和组织生长速率相匹配的、可被完全吸收生物材料,以便解决组织修复后材料体内残留的问题。
    (来源:Matter
    从师生到同事
    如前所述,北航化学学院江雷院士也参与了本次研究,他也是赵勇读博期间的导师。如今,二人从师生成为同事。
    对此赵勇表示:“特别感谢江老师的培养和支持,我作为学生感到特别幸运。江老师是我科研路上的领路人,他的科研思想以及人才培养的模式,也给我带来很多启示。”
    赵勇说,江雷院士常说要以“道法自然”“实事求是”“正奇相生、奇正转换”的思想开展创新研究,强调向自然学习的重要性。
    在人才培养上,江雷院士秉承“严师出高徒”,并认为“士不亲不罚,导师就是慈母和严父的统一”。
    如今,延续这一科研理念和教育理念,赵勇也在把精神和爱传递给自己的学生,让“师生同行”一直传承下去。
    参考资料:
    1.Wang, Y., Liu, F., Wang, N., Yue, G., Wang, X., Cai, B., ... & Zhao, Y. (2022). Bioinspired stretchable helical nanofiber yarn scaffold for locomotive tissue dynamic regeneration. Matter.
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