西湖大学杨健教授团队 AFM：可生物降解的柠檬酸基聚合物能够实现植入物演化的5维监测

2024-10-31 来源：高分子科技

在再生医学和组织工程中，植入支架作为促进组织修复与再生的重要工具，正受到越来越多的关注。这些可降解的支架不仅能够提供机械支持，还能促进新生组织的生长，避免二次手术移除。然而，支架在体内的降解过程极为复杂，涉及其结构、形态和功能的多维变化。当前的监测手段往往依赖于侵入性取样和解剖分析，无法实时、全面地追踪支架的降解进程。同时，现有的非侵入性成像技术，如CT和PET等，由于分辨率有限或需要放射性示踪剂，难以提供植入物与周围组织的详细互动信息。因此，开发一种能够精准、实时、无创监测支架降解过程的技术成为该领域亟待解决的重要挑战。

近日，西湖大学杨健教授研究团队开发了一种名为BPLPMGd的新型可降解聚合物，能够通过近红外（NIR）荧光成像与磁共振成像（MRI）的结合，实现植入物演变的五维（5D）监控。这一创新性技术为组织工程支架的降解监测提供了全新的解决方案，在再生医学领域具有广泛的应用潜力。2024年10月29日，该研究成果以“Biodegradable Citrate-Based Polymers Enable 5-Dimensional Monitoring of Implant Evolution”为题发表在《Advanced Functional Materials》上，前宾夕法尼亚州立大学博士生单鼎英，西湖大学工学院博士后王丁博文，前宾夕法尼亚州立大学博士生马运聪为共同第一作者，宾夕法尼亚州立大学生物医学工程系张南鄞教授和前博士后梁智峰，宾夕法尼亚州立大学医学院外科系Dino Ravnic教授为共同作者。

该工作始于BPLPMGd的设计与制备。图1展示了研究者如何通过简单的化学反应，将柠檬酸、1,8-辛二醇、L-丝氨酸与钆螯合物（Gd-DTPA）相结合，成功合成了一种具有双模式成像功能的聚合物材料。这个材料不仅具有生物相容性，还能够通过调节其组成成分来控制其降解速度。这种设计使得BPLPMGd能够在体内长时间使用，并且在降解过程中持续发挥作用。此外，研究者采用了盐析法来制备高孔隙度的支架结构，这种多孔结构为细胞的渗入和生长提供了理想的微环境，从而进一步支持组织再生。

图1 BPLPMGd的制备与表征

材料设计完成后，接下来就是验证其成像性能。图2展示了BPLPMGd的荧光与MRI成像能力。研究者发现，该聚合物在近红外区域具有良好的荧光发射性能，能够实现深度穿透成像，这为植入物的体内监测提供了极大的便利。此外，随着钆螯合物（Gd-DTPA）含量的增加，BPLPMGd在MRI成像中的信号强度也显著增强，进一步提高了成像的清晰度和准确性。这种双模式成像技术的结合，使得研究者能够同时获取支架的分子层面信息（荧光成像）和宏观结构变化（MRI成像），为支架的降解过程提供了全面的数据支持。

图2 体外荧光与MRI研究

图3展示了BPLPMGd在大鼠模型中的体内实验结果。通过将支架植入大鼠的皮下和肌肉中，研究者利用近红外荧光成像技术，实时追踪支架的降解过程。随着时间的推移，支架的荧光信号逐渐减弱，表明支架正在逐步降解。值得注意的是，这一监测过程是完全非侵入性的，研究者无需对实验动物进行手术操作，即可获取实时的支架降解信息。

图3 体内近红外荧光成像研究

除了荧光成像外，MRI成像进一步提供了支架的结构变化信息。图4展示了支架在体内的MRI成像结果，研究者通过3D重建技术，精准捕捉到了支架的体积变化和表面积变化。这些数据进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。通过MRI成像，研究者能够全面掌握支架在体内的形态变化，为支架的降解过程提供了更加精细的结构信息。

图4 体内MR成像研究

为了进一步验证支架的降解行为，研究者通过组织学分析对支架的降解过程进行了研究。图5展示了支架在体内的组织学结果。随着时间推移，支架的固体内容物逐渐减少，周围组织逐步渗入支架中，支架与周围组织的相互作用越来越紧密。研究还通过显微荧光成像进一步证明，BPLPMGd的降解主要由表面侵蚀和体积侵蚀共同作用，且这一过程与体内成像结果一致。这种多维度的验证进一步证实了BPLPMGd在植入物监测中的有效性。

图5 植入BPLPMGd支架的组织学研究

该研究成功开发了一种新型可降解聚合物BPLPMGd，结合了近红外荧光成像与磁共振成像技术，实现了对植入支架三维结构、位置、质量损失、体积和几何构型的五维监控。荧光成像穿透能力有限但能提供高分辨率、高信噪比及实时成像能力，而MRI可以获得厘米级的穿透深度。两种成像模态即可单独使用，又可互为补充。在该工作中，体内荧光成像和MR成像的联合使用可以获取详细信息或监测植入支架的降解过程，同时提供优于单独使用任何一种技术的补充数据。通过体内实验验证，BPLPMGd在非侵入性实时监测支架降解过程方面表现出卓越的成像能力和生物相容性。该聚合物在再生医学领域具有广泛的应用潜力，为未来智能植入物的设计和监控提供了新的思路。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414400

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（责任编辑：xu）

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