再生医学重大突破!可修复人类器官,超级水凝胶问世丨专访麦吉尔大学鲍光宇

2021
12/31

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学术头条
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人体器官所承载的机械动能是对再生医学和植入物的巨大挑战。

专访记者:刘芳

编审:HS

排版:李雪薇

如果有一天人类的器官都能像汽车零件一样修修补补,那我们是否可以打败疾病、衰老乃至死亡的终极宿命?
近日,麦吉尔大学 Luc Mongeau 教授和李剑宇教授团队开发了一种用于器官修复的新型可注射水凝胶,由于含有多孔的双网络而被称为 PDN(porous double networks)。一旦注射到体内,PDN 水凝胶便会形成一个稳定的多孔结构,允许活体细胞在上面生长以修复人类受损的器官。
人体器官所承载的机械动能是对再生医学和植入物的巨大挑战。其中一个极端的例子是声带,它可以说是人体中机械动力最强的器官。目前,声带损伤的患者需要反复注射水凝胶,原因是现有的水凝胶植入物在动态载荷下容易断裂。不断跳动的心脏也是如此。
为了验证这款新型水凝胶的韧性,麦吉尔大学团队对其进行了严酷的“终极挑战”。令人惊喜的是,PDN 水凝胶在以每秒 120 次的速度振动超过 600 万次后仍然完好如初,而同类产品早已因为压力被撕成碎片。同时,PDN 水凝胶可以支持细胞在尺寸超过 60 毫米的器官大小的支架中的细胞存活,这是所知的文献报道中的最大值。

PDN 水凝胶的终极压力测试 | 视频来源:麦吉尔大学

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麦吉尔大学在新闻稿中称,PDN 水凝胶“结合了化学、物理、生物学和工程学的前沿知识,可以修复心脏、肌肉和声带的重大损伤,是再生医学的重大进步”。相关论文以 Injectable, Pore-Forming, Perfusable Double-Network Hydrogels Resilient to Extreme Biomechanical Stimulations 为题,发表在 11 月 22 日的 Advanced Science 期刊上。
为了更好地理解这款生物水凝胶的原理和其背后的故事,学术头条英文专访了论文的作者之一,麦吉尔大学机械工程专业博士生鲍光宇。2020 年,鲍光宇曾作为第一作者在英国皇家化学学会的 Materials Horizons 杂志上发表了名为 Triggered micropore-forming bioprinting of porous viscoelastic hydrogels 的论文,详细介绍了用生物打印技术制造出的高度联通且具有细胞大小孔径的多孔水凝胶。在“修补”人类器官的研发之路上,鲍光宇和李剑宇教授团队里的其他科学家们一直在不断地精进。

PDN 水凝胶示意图 | 来源:麦吉尔大学

专访Q&A

学术头条:一直以来水凝胶都是再生医学的热点。这款水凝胶和其他同类产品的主要区别是什么?
鲍光宇:人体组织需要血液循环和机械韧性才能发挥作用。水凝胶是含有大量水的聚合物链网络。它们经常被用作可注射植入物来修复受伤的组织。然而,现有的可注射水凝胶孔隙很小(大约 10 纳米)且缺乏韧性和强度(就像果冻和豆腐)。它们不适合用来制造器官大小的植入物,也不能在机械活动的组织(如心脏、肌肉和声带)的动态环境中存活。
我们发明的水凝胶是可注射的,且对细胞很友好。它们在孔径大小和机械韧性方面都不同于其他水凝胶。我们的水凝胶的孔径大约是标准水凝胶的 1000 倍。机械韧性是标准水凝胶的 5 到 40 倍。它们可以在声带状环境中承受最极端的机械负荷而不会破裂,同时还能支持细胞生长,改善植入后的治疗效果。我们首次将可注射性、细胞相容性、孔隙率和韧性统一在一个水凝胶系统中。
学术头条:您认为这款水凝胶将在什么领域有重大应用?最重要的是,是什么让您对研发水凝胶产生了兴趣?
鲍光宇:我相信我们的水凝胶将有助于修复具有机械活动的软组织。它们将有更长的使用周期,并有可能提供更好的治疗效果。同时这款水凝胶还可以对科学研究做出贡献,例如在微流控设备(microfluidic devices,见备注)中进行 3D 细胞培养。与其他水凝胶系统不同,我们的水凝胶可以注入到微流控设备中,而不会堵塞(流体)通道。
事实上,这款水凝胶是为了解决我们实验室的一个问题而设计的。近十年来,我们实验室一直在设计修复声带的生物材料。我们发明了一种名为“声带生物反应器” (vocal cord bioreactor)的机器,它可以模仿人类说话时声带高频振动的机械环境。我们在生物反应器中测试了许多现有的水凝胶。他们要么堵塞设备,不能让细胞培养液通过,要么干脆在机械振动后碎成了碎片。就在那时,我们意识到需要一种多孔而坚韧的水凝胶来解决这个问题,这就为这项研究提供了契机。
学术头条:是什么让您对科学研发工作充满热情?
鲍光宇:我对研发的热情是利用我在材料科学、力学、化学和生物学方面的知识,利用工程解决方案来解决现有的医疗保健问题。我很幸运有两位学识渊博且大力支持我的导师,Luc Mongeau 教授和李剑宇教授。它们总是鼓励我们专注于世界上最具挑战性的问题,并给予我们自由探索自己的研究方向。我的同事们协同合作,勤勉专注。我们互相互补,喜欢一起集思广益。我很喜欢我们实验室友好和充满活力的环境。

PDN 水凝胶和标准水凝胶的实验对比 | 来源:麦吉尔大学

对于鲍光宇的导师李剑宇教授来说,PDN水凝胶是他的团队在生物材料创新领域的最新贡献。2019年,李剑宇凭借其在生物材料领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主。当时的他仅仅 31 岁。
李剑宇在接受《MIT Technology Review》的采访时提到,希望以更加仿生的生物材料,做到不仅在化学性质上接近人体组织,同时也在机械性质、生物活性上做到与健康的人体组织相近。他将新型生物材料形容为“像果冻一样”,其含水量和人体组织相当,同时在
机械性质 上也能做到和人体组织差不多,甚至优于人本身的组织。
[作者注]
微流控(Microfluidics)是一种精确控制和操控微尺度流体,尤其特指亚微米结构的技术,又称其为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片技术。是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上,自动完成分析全过程。
参考文献:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102627

https://www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/synthetic-tissue-can-repair-hearts-muscles-and-vocal-cords-335206
https://zhuanlan.zhihu.com/p/103910888
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关键词:
凝胶,PDN,机械,器官,细胞

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