Biomaterials无缝合原位修复角

时间:2020-8-9 17:01:28 来源:角膜裂伤

角膜损伤或疾病会使角膜形成疤痕或变薄,最终导致失明。尽管角膜移植可以有效治疗角膜盲,但供体角膜短缺、供体角膜供需不平衡以及移植的供体角膜仍存在严重并发症的风险,例如感染和排斥。传统的角膜移植,穿透性角膜移植术(PKP),也具有固有的移植裂开风险,即伤口分离,甚至有轻微的创伤。为了克服角膜移植这些局限性,一种有潜力的策略是使用生物材料替代受损的角膜组织。近期,美国加利福尼亚州斯坦福大学医学院的DavidJ.Myung教授团队在Biomaterials杂志上发表的题为Bio-orthogonallycrosslinkedhyaluronate-collagenhydrogelforsuture-freecornealdefectrepair的研究成果,提出一种生物正交交联(SPAAC)的透明质酸-胶原蛋白水凝胶,该凝胶可原位填充角膜缺损,而无需任何缝合线,引发剂或催化剂,是极有潜力的角膜修复和再生的生物材料。首先,介绍了高度透明的透明质酸-胶原水凝胶的合成策略(图1)。用DBCO修饰胶原蛋白(以下简称Col-DBCO,图1a),用叠氮化物修饰透明质酸盐(简称HA-叠氮化物,图1b),然后将透析的HA-叠氮化物与Col-DBCO混合,通过叠氮化物-炔烃环加成(SPAAC)反应在生物条件下发生正交交联,产生透明质酸-胶原水凝胶(图1c)。图1透明质酸-胶原水凝胶通过叠氮化物-炔烃环加成反应(SPAAC)交联接着,还研究了透明质酸-胶原水凝胶的机械性能如图,与之前报道的SPAAC交联的仅胶原蛋白水凝胶相比,这种水凝胶明显强度更大,并且更接近于天然角膜基质。图透明质酸-胶原水凝胶的机械性能其次,透明质酸-胶原水凝胶还显示出优异的光学性能,使其成为合适的角膜替代物。人角膜在至nm的光谱范围内具有超过95%的透射率,所有具有不同聚合物含量的透明质酸-胶原水凝胶在nm至nm范围内的透射率均超过94%,在nm至nm之间的透射率超过95%(图3a)。角膜替代物的另一个关键的光学性质是其聚焦力,其定义为焦距的倒数,表示角膜替代物会聚光的程度。据报道,人角膜的平均折射率为1.,透明质酸-胶原水凝胶的折射率范围为1.至1.(图3b)。使用8mm作为曲率半径来计算水凝胶的表面聚焦力,结果表明,水凝胶的焦距略低于人角膜,水凝胶与人角膜的焦距差约为mm(图3b),通过改变半径曲率,可以将散焦力或焦距与原始角膜匹配。图3透明质酸-胶原水凝胶的光学性质紧接着验证了水凝胶HA50-Col3的细胞相容性,生物整合和上皮再生成能力(如图4)。将上皮细胞在HA50-Col3水凝胶上培养,而培养4天,细胞存活率均在90%以上,显示出出色的细胞相容性(图4a~c);在去核兔子的眼睛上进行了前板层角膜切除术,并用凝胶原位填充缺损,SEM图像显示水凝胶充满了角膜伤口,在5,x放大图上(图4d和e)在水凝胶-基质界面没有任何裂缝,这预示着水凝胶与角膜基质生物整合的潜力;孵育4天后,水凝胶几乎完全被细胞覆盖,并且伤口角膜上没有可见多个缝隙(图4f),而且还观察到细胞从与HA50-Col3凝胶相邻组织迁移,表明在胶原-HA凝胶上具有优异的细胞粘附性及其在缺损角膜处的再上皮化能力。图4HA50-Col3水凝胶对角膜上皮细胞的细胞相容性,生物整合和上皮再形成能力为了进一步了解HA-Col水凝胶促进角膜伤口愈合的潜力,对使用了层状角膜切除术的角膜伤口模型进行了体内研究(图5a)。在原位形成凝胶后及在7天的伤口愈合过程中,未见到兔角膜上水凝胶的肿胀或收缩。凝胶应用7天后,凝胶在受伤的角膜上保持透明(图5b)。体内OCT显示,用HA50-Col3施用的受伤角膜在角膜切除术区域和相邻的正常角膜之间具有平滑过渡,并且一周后角膜曲率完全恢复(图5c)。图5水凝胶在角膜伤口无缝合修复中的应用最后,对使用和不使用水凝胶HA50-Col3处理的受伤角膜进行免疫荧光染色,图6a~c表示了HA50-Col3有效地支持了薄上皮层的再生;图6d~g表明,HA50-Col3不会引起明显的成肌纤维细胞活化,并且可以支持再生的上皮细胞层内紧密连接,因此,透明质酸-胶原水凝胶是优异的角膜基质替代物的候选材料。图6使用和不使用水凝胶HA50-Col3处理的受伤角膜的免疫荧光染色综上所述,这种双组分水凝胶不仅整合了胶原蛋白的细胞粘附特性和HA的促生长特性,而且具有与天然角膜基质相当的物理和光学特性;体外,体内和离体均结果表明,这种生物正交交联的透明质酸-胶原水凝胶作为角膜修复和再生的生物材料具有极好的潜力。论文链接:

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