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西湖大學楊健教授團隊 AFM：可生物降解的檸檬酸基聚合物能夠實現植入物演化的5維監測

2024-10-31 來源：高分子科技

在再生醫學和組織工程中，植入支架作為促進組織修復與再生的重要工具，正受到越來越多的關注。這些可降解的支架不僅能夠提供機械支持，還能促進新生組織的生長，避免二次手術移除。然而，支架在體內的降解過程極為復雜，涉及其結構、形態和功能的多維變化。當前的監測手段往往依賴于侵入性取樣和解剖分析，無法實時、全面地追蹤支架的降解進程。同時，現有的非侵入性成像技術，如CT和PET等，由于分辨率有限或需要放射性示蹤劑，難以提供植入物與周圍組織的詳細互動信息。因此，開發一種能夠精準、實時、無創監測支架降解過程的技術成為該領域亟待解決的重要挑戰。

近日，西湖大學楊健教授研究團隊開發了一種名為BPLPMGd的新型可降解聚合物，能夠通過近紅外（NIR）熒光成像與磁共振成像（MRI）的結合，實現植入物演變的五維（5D）監控。這一創新性技術為組織工程支架的降解監測提供了全新的解決方案，在再生醫學領域具有廣泛的應用潛力。2024年10月29日，該研究成果以“Biodegradable Citrate-Based Polymers Enable 5-Dimensional Monitoring of Implant Evolution”為題發表在《Advanced Functional Materials》上，前賓夕法尼亞州立大學博士生單鼎英，西湖大學工學院博士后王丁博文，前賓夕法尼亞州立大學博士生馬運聰為共同第一作者，賓夕法尼亞州立大學生物醫學工程系張南鄞教授和前博士后梁智峰，賓夕法尼亞州立大學醫學院外科系Dino Ravnic教授為共同作者。

該工作始于BPLPMGd的設計與制備。圖1展示了研究者如何通過簡單的化學反應，將檸檬酸、1,8-辛二醇、L-絲氨酸與釓螯合物（Gd-DTPA）相結合，成功合成了一種具有雙模式成像功能的聚合物材料。這個材料不僅具有生物相容性，還能夠通過調節其組成成分來控制其降解速度。這種設計使得BPLPMGd能夠在體內長時間使用，并且在降解過程中持續發揮作用。此外，研究者采用了鹽析法來制備高孔隙度的支架結構，這種多孔結構為細胞的滲入和生長提供了理想的微環境，從而進一步支持組織再生。

圖1 BPLPMGd的制備與表征

材料設計完成后，接下來就是驗證其成像性能。圖2展示了BPLPMGd的熒光與MRI成像能力。研究者發現，該聚合物在近紅外區域具有良好的熒光發射性能，能夠實現深度穿透成像，這為植入物的體內監測提供了極大的便利。此外，隨著釓螯合物（Gd-DTPA）含量的增加，BPLPMGd在MRI成像中的信號強度也顯著增強，進一步提高了成像的清晰度和準確性。這種雙模式成像技術的結合，使得研究者能夠同時獲取支架的分子層面信息（熒光成像）和宏觀結構變化（MRI成像），為支架的降解過程提供了全面的數據支持。

圖2 體外熒光與MRI研究

圖3展示了BPLPMGd在大鼠模型中的體內實驗結果。通過將支架植入大鼠的皮下和肌肉中，研究者利用近紅外熒光成像技術，實時追蹤支架的降解過程。隨著時間的推移，支架的熒光信號逐漸減弱，表明支架正在逐步降解。值得注意的是，這一監測過程是完全非侵入性的，研究者無需對實驗動物進行手術操作，即可獲取實時的支架降解信息。

圖3 體內近紅外熒光成像研究

除了熒光成像外，MRI成像進一步提供了支架的結構變化信息。圖4展示了支架在體內的MRI成像結果，研究者通過3D重建技術，精準捕捉到了支架的體積變化和表面積變化。這些數據進一步揭示了植入支架在不同位置的降解速率，例如，肌肉中的支架比皮下的支架降解更快。通過MRI成像，研究者能夠全面掌握支架在體內的形態變化，為支架的降解過程提供了更加精細的結構信息。

圖4 體內MR成像研究

為了進一步驗證支架的降解行為，研究者通過組織學分析對支架的降解過程進行了研究。圖5展示了支架在體內的組織學結果。隨著時間推移，支架的固體內容物逐漸減少，周圍組織逐步滲入支架中，支架與周圍組織的相互作用越來越緊密。研究還通過顯微熒光成像進一步證明，BPLPMGd的降解主要由表面侵蝕和體積侵蝕共同作用，且這一過程與體內成像結果一致。這種多維度的驗證進一步證實了BPLPMGd在植入物監測中的有效性。

圖5 植入BPLPMGd支架的組織學研究

該研究成功開發了一種新型可降解聚合物BPLPMGd，結合了近紅外熒光成像與磁共振成像技術，實現了對植入支架三維結構、位置、質量損失、體積和幾何構型的五維監控。熒光成像穿透能力有限但能提供高分辨率、高信噪比及實時成像能力，而MRI可以獲得厘米級的穿透深度。兩種成像模態即可單獨使用，又可互為補充。在該工作中，體內熒光成像和MR成像的聯合使用可以獲取詳細信息或監測植入支架的降解過程，同時提供優于單獨使用任何一種技術的補充數據。通過體內實驗驗證，BPLPMGd在非侵入性實時監測支架降解過程方面表現出卓越的成像能力和生物相容性。該聚合物在再生醫學領域具有廣泛的應用潛力，為未來智能植入物的設計和監控提供了新的思路。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414400

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（責任編輯：xu）

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