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生物工程学院开发“诊断-治疗”逻辑智能型生物医用材料

时间:2021-12-24   来源:生物工程学院      

人口老龄化和饮食习惯造成我国目前超过十分之一的人口患有糖尿病,而糖尿病患者的组织创伤往往难以修复愈合。糖尿病病理环境下的骨缺损的修复再生更是临床极具挑战性的关键难题,主要是因为其组织愈合微环境受到诸如血糖波动(GF)、活性氧(ROS)和基质金属蛋白酶(MMPs)等病理因素的复杂影响。

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图1.基于“诊断”和治疗逻辑的水凝胶的设计原理以及 HIB 通过重编程免疫-骨质级联诱导糖尿病骨再生的机制示意图

针对这一医学难题,我校生物工程学院王华楠教授团队联合重庆医科大学附属口腔医院陈陶研究员团队通过设计由苯硼酸交联的聚乙烯醇和明胶胶体组成的双网络水凝胶,开发出一种结合“诊断”和“治疗”双重功能的逻辑智能型水凝胶。该水凝胶通过“诊断”糖尿病骨创伤微环境中的3种病理信号(GF、ROS、MMPs),针对性地自主释放蛋白因子药物以实现“治疗”作用,从而编程控制不同药物的释放以匹配免疫-骨化级联,最终为糖尿病患者的骨愈合临床难题提供全新的解决方案。

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图2. 由 PVA 和明胶胶体网络组成的复合水凝胶的结构和机械性能

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图3. 模拟 DM 微环境中复合水凝胶的降解和药物释放动力学的体外评估

同时,该水凝胶表现出理想的生物力学性能、流变学特性以适应骨缺损的局部复杂性、及可注射可塑形性等优异的临床操作性。此外,其骨免疫调节的机制得到部分阐明:通过恢复受损线粒体功能,降调氧化应激并重塑内源性抗氧化体系,从而调节骨免疫级联。该“诊断-治疗一体”逻辑智能水凝胶的应用为复杂病理微环境下智能水凝胶的应用和其生物学机制探索提供了策略参考。

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图4. BMDMs 和 MC3T3-E1 细胞的共培养显示了 DM 中 HIB对药物释放的逻辑调节

采用单纯明胶胶体水凝胶用作非智能材料对照、直接接种在组织培养板 (TCP) 上的细胞用作空白对照

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相关成果以题为A Logic-based Diagnostic and Therapeutic Hydrogel with Multi-stimuli Responsiveness to Orchestrate Diabetic Bone Regeneration发表在Advanced Materials上。第一作者为李帝泽/陈楷文,通讯作者为我校王华楠教授及重庆医科大学附属口腔医院陈陶研究员、副主任医师。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目的经费支持。

原文链接:

http://doi.org/10.1002/adma.202108430


编辑:秦博昱   
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