北航樊瑜波教授、王丽珍教授团队在《Nature Communications》发表新型微创植入式可降解髓核支架及其功能重建研究

在大多数的椎间盘退行性病变中，髓核的病变过程是不可逆的，当前临床治疗所使用的脊柱融合术或椎间盘切除术由于限制了椎间活动度而极易引发邻近节段病变。组织工程细胞治疗由于可实现修复退变髓核组织功能而备受关注，然而目前多采用注射式方法来构建，多数时候难以有效构建与自体匹配的力学环境，常导致术后细胞载体被挤出而造成治疗失效。微创植入方式在治疗椎间盘髓核退变方面具有潜力，但提供匹配在体髓核力学支撑性能的支架一直以来是组织工程椎间盘领域的一个关键性挑战。

近日，北京航空航天大学生物与医学工程学院生物力学与力生物学教育部重点实验室、北京市生物医学工程高精尖创新中心樊瑜波教授、王丽珍教授团队报道了一种新型微创植入式可降解髓核支架（图1），它能够通过温敏形状记忆聚合物材料实现支架的微创递送，同时提供匹配在体髓核组织的支撑性能，利用支架所搭载的趋化因子实现自体干细胞向退变髓核组织的募集同时抑制椎间盘退变进程。

图1 新型微创植入式可降解髓核支架的特征示意

研究小组首先对形状记忆聚合物聚十二烷二酸甘油酯（PGD）进行性能调控（图2），并结合实验及数值模拟技术优选了弹性模量约1.10 MPa的PGD材料制备髓核支架，使其接近髓核组织在体压缩模量1.01±0.43 MPa；PGD髓核支架的微创结构则借鉴了黄瓜藤蔓的卷须过程，由于支架材料PGD的转变温度介于体温与室温之间，在室温下支架呈小截面积的直藤蔓形态，此时可以通过穿刺椎间盘的空心针被递送进髓核，支架形态在进入髓核腔后受体温驱动将在10 s内转变为卷须状，一方面增大的截面积避免了椎间盘在术后受力下从纤维环穿刺孔中挤出，另一方面为退变椎间盘提供物理支撑为髓核的组织重建提供空间；随后借助新西兰兔腰椎间盘退变模型，从临床指征、细胞组成、术后间盘力学性能等多方面验证PGD支架的髓核功能修复情况，结果显示PGD髓核支架能够在植入后即时提供有效力学支撑，维持正常椎间高度的约80%（图3），通过支架载有的基质细胞衍生因子有效招募自体干细胞进入退变髓核内（图4），植入后16周依然能维持初始椎间高度且力学性能接近正常椎间盘（图5）。本研究为组织工程退变椎间盘的功能再生提供了新思路，有望进一步应用于椎间盘退变的临床治疗中。

图2 通过材料合成参数调控PGD材料的形状记忆及力学性能以匹配髓核植入需求

图3 PGD髓核支架组及透明质酸支架组、假手术组间在植入兔腰椎间盘后16周期间椎间盘高度及髓核核磁信号变化的情况

图4 PGD髓核支架组及透明质酸支架组、假手术组、正常组间在植入兔腰椎间盘后髓核及其周围组织内细胞形态及组成

图5 PGD髓核支架组及透明质酸支架组、假手术组、正常组间在植入兔腰椎间盘16周后的力学性能比较

该研究以“Innovative design of minimal invasive biodegradable poly(glycerol-dodecanoate) nucleus pulposus scaffold with function regeneration”为题发表于Nature子刊，著名综合性期刊《Nature Communications》上。樊瑜波教授为该文的唯一通讯作者，王丽珍教授及其指导的博士研究生靳凯翔为该论文的共同第一作者，北京航空航天大学为第一完成单位。

该研究工作得到了国家自然科学基金委基础科学中心项目（T2288101）、联合基金项目（U20A20390）及面上项目（12172034）及“生物力学与力生物学创新引智基地”（111引智计划，B13003）及中央高校基础研究经费等资助。

原文链接https://www.nature.com/articles/s41467-023-39604-0