加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)李宏斌教授團(tuán)隊和南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院蔣青教授團(tuán)隊合作的研究成果 "Cartilage-like protein hydrogels engineered via entanglement" 曾在學(xué)術(shù)期刊 NATURE 上成功發(fā)表 [1]，第一作者為不列顛哥倫比亞大學(xué)傅凌嵐博士， 南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院李瀾博士為共同一作。海斯菲德公司的 Micro CT 產(chǎn)品（產(chǎn)品型號：Hiscan XM） 在論文中提供了水凝膠對軟骨下骨修復(fù)效果的重要分析圖像。

人體內(nèi)的承重組織，如肌肉和軟骨，表現(xiàn)出高彈性、高韌性和快速恢復(fù)。目前的蛋白質(zhì)水凝膠技術(shù)在模擬肌肉等軟承重組織的機(jī)械性能方面取得了相當(dāng)大的成功。但是，軟骨比肌肉要堅硬得多，現(xiàn)有的技術(shù)并不能制備出同等硬度的蛋白質(zhì)水凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，由于關(guān)節(jié)軟骨中的鏈纏結(jié)結(jié)構(gòu)在聚合物網(wǎng)絡(luò)中是 “可移動的”，并允許機(jī)械能在許多長鏈中消散，這樣鏈纏結(jié)可以使聚合物網(wǎng)絡(luò)變硬但不會變脆。關(guān)節(jié)軟骨正是通過這種纏繞網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)高硬度、高韌性和快速恢復(fù)的獨特力學(xué)特征?；诖?，該研究團(tuán)隊在研究中采用了類似的鏈?zhǔn)郊m纏物理機(jī)制來制備高硬度、高韌性的蛋白質(zhì)水凝膠。

實驗方法

圖 1.1 (a) 中展示的是天然蛋白質(zhì)濃縮液經(jīng)過化學(xué)變性后得到的未折疊的蛋白質(zhì)濃縮液。(FL) 8 是水凝膠制備的前驅(qū)體，它由八個鐵氧還蛋白樣蛋白 (Ferredoxin-like protein, FL) 單元串聯(lián)而成。然后使用鹽酸胍溶液對 (FL) 8 進(jìn)行變性，使其變成未折疊狀態(tài)，未折疊的 (FL) 8 多肽鏈在濃縮蛋白質(zhì)溶液中可能相互重疊，導(dǎo)致可能的鏈纏結(jié)。光交聯(lián) (Denatured crosslinking, DC) 后，鏈纏結(jié)保留在水凝膠中，形成 D-DC 水凝膠。進(jìn)而，通過復(fù)性 (FL) 8 可以得到 N-DC 水凝膠，其中鏈纏結(jié)仍然存在，如圖 1.1 (b) 所示，虛線正方形突出顯示了鏈纏結(jié)的形狀。

該研究團(tuán)隊經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炞C明，N-DC 水凝膠具有高硬度和良好的拉伸性，同時表現(xiàn)出驚人的韌性，可以抵抗鋒利的手術(shù)刀切割。

為了探索這些堅韌的 N-DC 水凝膠在修復(fù)骨軟骨缺損等方面的應(yīng)用潛力，作者將較硬的 N-DC 水凝膠和軟性水凝膠同時植入兔子體內(nèi)，并于移植后 4、8、12?周評價修復(fù)效果。為了有效評估修復(fù)效果，作者使用了本公司的 Micro-CT 產(chǎn)品對上述三組的軟骨進(jìn)行掃描和重建。本公司的 Hiscan XM Micro-CT System 是一款集離體掃描和活體掃描于一體的 Micro-CT，最高分辨率可達(dá) 4μm。重建結(jié)果如圖 1.2 所示，左側(cè)第一列為對照組，中間第二列為軟性水凝膠組，右側(cè)第三列為硬性水凝膠組。不難發(fā)現(xiàn)，硬性水凝膠組在移植后 12?周可見明顯的軟骨下骨修復(fù)，而對照組和軟性水凝膠組未見明顯修復(fù)。同時，這兩組的軟骨缺損處充填著不規(guī)則的凹陷性再生組織，與周圍的軟骨有明顯區(qū)別。相比之下，硬性水凝膠組的再生組織被光滑的膜覆蓋，更接近天然軟骨。

討論結(jié)果

總結(jié)來說，該研究團(tuán)隊展示了一種新型的蛋白質(zhì)水凝膠制備方法，這種方法能夠兼顧蛋白質(zhì)水凝膠硬度和韌性，其中的關(guān)鍵是將鏈纏結(jié)引入到折疊的球狀蛋白網(wǎng)絡(luò)中，以解決剛度和韌性之間的不相容問題。一方面，鏈的纏繞增強(qiáng)了水凝膠的硬度，而不會使網(wǎng)絡(luò)變脆。另一方面，球狀蛋白在強(qiáng)制展開時可以有效地消耗能量，而重新折疊時可以快速恢復(fù)。這些效應(yīng)協(xié)同作用，將高硬度、高韌性、快速恢復(fù)和高壓縮強(qiáng)度的特性整合到蛋白質(zhì)水凝膠中。此外，該方法還具備普遍性，也說明這種蛋白質(zhì)水凝膠將發(fā)揮出巨大的應(yīng)用潛力。毋庸置疑，該團(tuán)隊的研究在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域開辟了一條令人興奮的道路。