生物3D打印水凝膠加速愈合糖尿病傷口
時間：2023-09-29 10:54 來源：生物3D打印水凝膠加速愈合糖尿病 作者：admin 閱讀：次
糖尿病是一種常見且嚴重的慢性代謝性疾病，其主要特征是體內(nèi)血糖水平持續(xù)升高，由于胰島素的不足或細胞對胰島素的反應異常引起，需要持續(xù)的自我管理和醫(yī)療監(jiān)護，以減少并發(fā)癥的風險，提高生活質(zhì)量。
糖尿病可分為兩種主要類型：Ⅰ型糖尿病和Ⅱ型糖尿病。Ⅰ型糖尿病通常在年輕年齡階段發(fā)病，其主要原因是免疫系統(tǒng)攻擊胰腺內(nèi)產(chǎn)生胰島素的β細胞，導致胰島素嚴重不足，患者需要依靠外部胰島素注射來維持生命。而Ⅱ型糖尿病多發(fā)生于成年人，其特點是細胞對胰島素的反應減弱，導致胰島素的生物效應下降，最終引發(fā)高血糖問題。
高血糖是糖尿病的核心癥狀，長期高血糖會損害全身各個器官系統(tǒng)，引發(fā)一系列嚴重的并發(fā)癥。這些并發(fā)癥包括但不限于：心血管疾病、神經(jīng)病變、腎臟疾病、眼部疾�。ㄌ悄虿∫暰W(wǎng)膜病變）、足部潰瘍等。此外，糖尿病還會影響骨骼健康和創(chuàng)面愈合能力。
骨骼影響
- 骨質(zhì)疏松：長期高血糖狀態(tài)可能干擾鈣質(zhì)代謝，導致骨組織流失，從而增加骨折的風險。糖尿病患者的骨密度會降低，使得骨骼更脆弱。
- 骨折風險增加：糖尿病患者由于神經(jīng)功能受損，導致對疼痛的感知降低，增加了骨折的風險。糖尿病相關的微循環(huán)問題，導致血管閉塞和新生血管減少，也會影響骨骼愈合。
- 關節(jié)病變：糖尿病可能導致關節(jié)炎、骨關節(jié)病等關節(jié)問題。這與糖尿病引發(fā)的炎癥、血管病變等因素有關。高血糖還會導致糖化終產(chǎn)物的積累，損害骨骼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。
創(chuàng)面愈合影響
- 延緩創(chuàng)面愈合：高血糖狀態(tài)可能影響創(chuàng)面愈合的各個階段，包括炎癥期、增生期和修復期，導致創(chuàng)面愈合時間延長，增加感染、潰瘍等并發(fā)癥的風險。
- 感染風險增加：糖尿病患者由于免疫功能下降，容易受到細菌和其他微生物的感染，這會延緩創(chuàng)面的愈合進程。
- 血液供應不足：高血糖狀態(tài)影響微血管的健康，減少血液流向創(chuàng)面，導致創(chuàng)面缺氧，進而影響創(chuàng)面的愈合。
- 瘢痕形成：糖尿病可能導致創(chuàng)面愈合不完全，留下瘢痕組織，影響功能恢復和外觀。
為探索有效治療方法，上海交通大學戴尅戎院士、王金武團隊進行了多方面的研究。
由于巨噬細胞極化功能障礙和骨缺損區(qū)域的炎癥微環(huán)境，糖尿病患者的骨缺損修復仍然是臨床治療中的一個挑戰(zhàn)。裝有活細胞和生物活性因子的生物3D打印支架可以改善細胞活力和炎癥微環(huán)境，并進一步加速骨修復。支架上裝有骨形態(tài)發(fā)生蛋白4 (BMP-4) 、骨髓間充質(zhì)干細胞 (BMSCs) 和巨噬細胞。介孔二氧化硅納米顆粒 (MSN) 不僅能提高了支架的機械強度，還能賦予持續(xù)釋放BMP-4的能力。研究發(fā)現(xiàn)支架促進巨噬細胞極化為M2型，分泌抗炎因子，降低促炎因子的水平，從而減少炎癥并促進骨修復。MSN釋放的BMP-4和M2巨噬細胞分泌的BMP-2共同刺激了生物3D打印支架中BMSC的成骨分化。此外，動物模型結(jié)果也證明支架能明顯加速糖尿病大鼠的骨修復。綜上所述，含有BMP-4、BMSCs和巨噬細胞的生物3D打印支架可能是改善糖尿病患者骨修復的有效方法。
團隊針對糖尿病感染的慢性傷口難愈合的問題，開發(fā)了一種原位形成的水凝膠，具有活性氧（ROS）響應性和抗菌特性。通過逐步添加DL-二硫蘇糖醇、聚乙二醇二丙烯酸酯和苯基硼酸改性ε-聚賴氨酸來設計和合成水凝膠。水凝膠可以提供填充傷口缺陷并保護傷口免受細菌侵害的物理屏障。它還表現(xiàn)出優(yōu)異的吸水性和H2O2消耗能力，可以響應過量的氧化微環(huán)境，促進傷口愈合。該水凝膠表現(xiàn)出良好的生物相容性和抗菌活性，抑制細菌生長并加速感染傷口的愈合。在糖尿病慢性全層皮膚缺損愈合試驗中，水凝膠通過炎癥調(diào)節(jié)和膠原蛋白沉積促進傷口收縮和愈合。總體而言，該水凝膠顯示出加速感染糖尿病傷口愈合的潛力，并且可能成為慢性傷口愈合的可行材料。
此外，糖尿病足是糖尿病患者最常見的并發(fā)癥之一。糖尿病足定義為：糖尿病患者由于并發(fā)神經(jīng)病變及不同程度的末梢血管病變而導致的下肢感染、潰瘍形成和/或深部組織的破壞，是糖尿病致死、致殘的重要原因。可采用3D打印矯形鞋墊進行預防，針對糖尿病足設計具有跖骨球支撐、足弓支持的鞋墊，采用低摩擦、柔軟的材料制作鞋墊敷面，更好地分散足底壓力，最大程度地減小磨擦。
糖尿病的預防和管理主要包括以下幾個方面：健康飲食，控制碳水化合物攝入，避免過度攝入高糖食品；適度運動，有助于降低血糖水平和改善胰島素敏感性；定期監(jiān)測血糖水平，確保在安全范圍內(nèi)；按照醫(yī)生建議使用口服藥物或胰島素注射治療；定期進行健康檢查，以及與醫(yī)療專業(yè)人士合作，制定個體化的糖尿病管理計劃。
專家介紹
王金武，醫(yī)學博士，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院骨科主任醫(yī)師，上海交通大學醫(yī)學院教授，上海交通大學生物醫(yī)學工程學院兼職研究員，博導及博士后導師。十三五和十四五科技部二個國家重點研發(fā)計劃首席科學家，上海交通大學轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究院首席科學家，第五屆“卓越建樹”人民名醫(yī)。轉(zhuǎn)化醫(yī)學國家重大科技基礎設施（上海）創(chuàng)新醫(yī)療器械注冊研究與臨床轉(zhuǎn)化服務中心主任、數(shù)字醫(yī)療與生物3D打印實驗室主任，數(shù)字醫(yī)學臨床轉(zhuǎn)化教育部工程研究中心副主任，民政部智能控制與康復技術重點實驗室副主任，中華醫(yī)學會上海市數(shù)字醫(yī)學專科分會候任主任委員，中華醫(yī)學會數(shù)字骨科創(chuàng)傷與關節(jié)委員會副主任委員，國家食品藥品監(jiān)督管理總局（NMPA）評審專家，上海市優(yōu)秀技術帶頭人，上海市衛(wèi)健委骨與關節(jié)康復醫(yī)學科重點學科帶頭人，上海市臨床康復領軍人才，上海市康復醫(yī)學工程研究會理事長，上�？祻洼o具與老年福祉產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副理事長兼秘書長，中華醫(yī)學會醫(yī)學工程學分會數(shù)字骨科專委會副主任委員，中國研究型醫(yī)院學會運動醫(yī)學專業(yè)委員會副主任委員，中國生物材料學會生物材料先進制造分會副主任委員，中國醫(yī)藥生物技術協(xié)會3D 打印技術分會副主任委員。長期致力于骨關節(jié)外科、數(shù)字醫(yī)學、骨關節(jié)生物3D打印及骨科康復領域，生物3D打印項目獲《Nature》專題報道。先后承擔了包括十三五科技部重點研發(fā)計劃（生物3D打�。�、十四五科技部重點研發(fā)計劃（數(shù)字醫(yī)學與微納米生物材料）、科技部“863”“973”子課題等國家級課題9項。承擔中國工程科技發(fā)展戰(zhàn)略咨詢項目。完成的“3D打印月骨”是人體3D打印最小的關節(jié)之一，該成果已申報并獲得專利，同時臨床進行轉(zhuǎn)化應用。參編專著15部，主編或者副主編專著8部、主譯及副主譯各1部，第一作者或通信作者發(fā)表包括Nature與Science旗下子刊等高影響因子論文90余篇。在上海交大設立數(shù)字醫(yī)學與3D打印前沿醫(yī)工交叉轉(zhuǎn)化研究生課程。以第一完成人獲得2022年度上海市技術發(fā)明一等獎，項目名稱“四肢骨關節(jié)炎的數(shù)字化診療關鍵技術與裝備開發(fā)”。榮獲上海醫(yī)學科技一等獎、上�？祻歪t(yī)學科技一等獎和中華醫(yī)學科技進步一等獎、江蘇醫(yī)學科技獎、吉林省科學技術一等獎等。
在戴尅戎院士的指導與支持下，率先申請到國內(nèi)第一個3D打印醫(yī)療器械注冊證，也是注冊人制度下第一張隸屬上海交通大學的科研型企業(yè)轉(zhuǎn)化的3D打印醫(yī)療器械注冊證。
專長：復雜的肩關節(jié)周圍骨折的微創(chuàng)治療；肩關節(jié)鏡下肩袖損傷與肩關節(jié)不穩(wěn)的微創(chuàng)治療；肩肘關節(jié)置換；3D打印康復輔具與骨關節(jié)內(nèi)植物3D打印的臨床轉(zhuǎn)化，通過顯微外科和定制式人工關節(jié)技術進行肩關節(jié)腫瘤的保肢治療。
糖尿病可分為兩種主要類型：Ⅰ型糖尿病和Ⅱ型糖尿病。Ⅰ型糖尿病通常在年輕年齡階段發(fā)病，其主要原因是免疫系統(tǒng)攻擊胰腺內(nèi)產(chǎn)生胰島素的β細胞，導致胰島素嚴重不足，患者需要依靠外部胰島素注射來維持生命。而Ⅱ型糖尿病多發(fā)生于成年人，其特點是細胞對胰島素的反應減弱，導致胰島素的生物效應下降，最終引發(fā)高血糖問題。
高血糖是糖尿病的核心癥狀，長期高血糖會損害全身各個器官系統(tǒng)，引發(fā)一系列嚴重的并發(fā)癥。這些并發(fā)癥包括但不限于：心血管疾病、神經(jīng)病變、腎臟疾病、眼部疾�。ㄌ悄虿∫暰W(wǎng)膜病變）、足部潰瘍等。此外，糖尿病還會影響骨骼健康和創(chuàng)面愈合能力。
骨骼影響
- 骨質(zhì)疏松：長期高血糖狀態(tài)可能干擾鈣質(zhì)代謝，導致骨組織流失，從而增加骨折的風險。糖尿病患者的骨密度會降低，使得骨骼更脆弱。
- 骨折風險增加：糖尿病患者由于神經(jīng)功能受損，導致對疼痛的感知降低，增加了骨折的風險。糖尿病相關的微循環(huán)問題，導致血管閉塞和新生血管減少，也會影響骨骼愈合。
- 關節(jié)病變：糖尿病可能導致關節(jié)炎、骨關節(jié)病等關節(jié)問題。這與糖尿病引發(fā)的炎癥、血管病變等因素有關。高血糖還會導致糖化終產(chǎn)物的積累，損害骨骼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。
創(chuàng)面愈合影響
- 延緩創(chuàng)面愈合：高血糖狀態(tài)可能影響創(chuàng)面愈合的各個階段，包括炎癥期、增生期和修復期，導致創(chuàng)面愈合時間延長，增加感染、潰瘍等并發(fā)癥的風險。
- 感染風險增加：糖尿病患者由于免疫功能下降，容易受到細菌和其他微生物的感染，這會延緩創(chuàng)面的愈合進程。
- 血液供應不足：高血糖狀態(tài)影響微血管的健康，減少血液流向創(chuàng)面，導致創(chuàng)面缺氧，進而影響創(chuàng)面的愈合。
- 瘢痕形成：糖尿病可能導致創(chuàng)面愈合不完全，留下瘢痕組織，影響功能恢復和外觀。
為探索有效治療方法，上海交通大學戴尅戎院士、王金武團隊進行了多方面的研究。
由于巨噬細胞極化功能障礙和骨缺損區(qū)域的炎癥微環(huán)境，糖尿病患者的骨缺損修復仍然是臨床治療中的一個挑戰(zhàn)。裝有活細胞和生物活性因子的生物3D打印支架可以改善細胞活力和炎癥微環(huán)境，并進一步加速骨修復。支架上裝有骨形態(tài)發(fā)生蛋白4 (BMP-4) 、骨髓間充質(zhì)干細胞 (BMSCs) 和巨噬細胞。介孔二氧化硅納米顆粒 (MSN) 不僅能提高了支架的機械強度，還能賦予持續(xù)釋放BMP-4的能力。研究發(fā)現(xiàn)支架促進巨噬細胞極化為M2型，分泌抗炎因子，降低促炎因子的水平，從而減少炎癥并促進骨修復。MSN釋放的BMP-4和M2巨噬細胞分泌的BMP-2共同刺激了生物3D打印支架中BMSC的成骨分化。此外，動物模型結(jié)果也證明支架能明顯加速糖尿病大鼠的骨修復。綜上所述，含有BMP-4、BMSCs和巨噬細胞的生物3D打印支架可能是改善糖尿病患者骨修復的有效方法。
"Three-dimensional bioprinting of multicell-laden
scaffolds containing bone morphogenic protein-4 for promoting M2
macrophage polarization and accelerating bone defect repair in diabetes
mellitus" 《Bioactive materials》
團隊針對糖尿病感染的慢性傷口難愈合的問題，開發(fā)了一種原位形成的水凝膠，具有活性氧（ROS）響應性和抗菌特性。通過逐步添加DL-二硫蘇糖醇、聚乙二醇二丙烯酸酯和苯基硼酸改性ε-聚賴氨酸來設計和合成水凝膠。水凝膠可以提供填充傷口缺陷并保護傷口免受細菌侵害的物理屏障。它還表現(xiàn)出優(yōu)異的吸水性和H2O2消耗能力，可以響應過量的氧化微環(huán)境，促進傷口愈合。該水凝膠表現(xiàn)出良好的生物相容性和抗菌活性，抑制細菌生長并加速感染傷口的愈合。在糖尿病慢性全層皮膚缺損愈合試驗中，水凝膠通過炎癥調(diào)節(jié)和膠原蛋白沉積促進傷口收縮和愈合。總體而言，該水凝膠顯示出加速感染糖尿病傷口愈合的潛力，并且可能成為慢性傷口愈合的可行材料。
"In-situ forming hydrogel incorporated with reactive
oxygen species responsive and antibacterial properties for diabetic
infected chronic wound healing" 《Chemical Engineering Journal》
此外，糖尿病足是糖尿病患者最常見的并發(fā)癥之一。糖尿病足定義為：糖尿病患者由于并發(fā)神經(jīng)病變及不同程度的末梢血管病變而導致的下肢感染、潰瘍形成和/或深部組織的破壞，是糖尿病致死、致殘的重要原因。可采用3D打印矯形鞋墊進行預防，針對糖尿病足設計具有跖骨球支撐、足弓支持的鞋墊，采用低摩擦、柔軟的材料制作鞋墊敷面，更好地分散足底壓力，最大程度地減小磨擦。
△團隊制作的3D打印矯形鞋墊
糖尿病的預防和管理主要包括以下幾個方面：健康飲食，控制碳水化合物攝入，避免過度攝入高糖食品；適度運動，有助于降低血糖水平和改善胰島素敏感性；定期監(jiān)測血糖水平，確保在安全范圍內(nèi)；按照醫(yī)生建議使用口服藥物或胰島素注射治療；定期進行健康檢查，以及與醫(yī)療專業(yè)人士合作，制定個體化的糖尿病管理計劃。
專家介紹
王金武，醫(yī)學博士，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院骨科主任醫(yī)師，上海交通大學醫(yī)學院教授，上海交通大學生物醫(yī)學工程學院兼職研究員，博導及博士后導師。十三五和十四五科技部二個國家重點研發(fā)計劃首席科學家，上海交通大學轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究院首席科學家，第五屆“卓越建樹”人民名醫(yī)。轉(zhuǎn)化醫(yī)學國家重大科技基礎設施（上海）創(chuàng)新醫(yī)療器械注冊研究與臨床轉(zhuǎn)化服務中心主任、數(shù)字醫(yī)療與生物3D打印實驗室主任，數(shù)字醫(yī)學臨床轉(zhuǎn)化教育部工程研究中心副主任，民政部智能控制與康復技術重點實驗室副主任，中華醫(yī)學會上海市數(shù)字醫(yī)學專科分會候任主任委員，中華醫(yī)學會數(shù)字骨科創(chuàng)傷與關節(jié)委員會副主任委員，國家食品藥品監(jiān)督管理總局（NMPA）評審專家，上海市優(yōu)秀技術帶頭人，上海市衛(wèi)健委骨與關節(jié)康復醫(yī)學科重點學科帶頭人，上海市臨床康復領軍人才，上海市康復醫(yī)學工程研究會理事長，上�？祻洼o具與老年福祉產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟副理事長兼秘書長，中華醫(yī)學會醫(yī)學工程學分會數(shù)字骨科專委會副主任委員，中國研究型醫(yī)院學會運動醫(yī)學專業(yè)委員會副主任委員，中國生物材料學會生物材料先進制造分會副主任委員，中國醫(yī)藥生物技術協(xié)會3D 打印技術分會副主任委員。長期致力于骨關節(jié)外科、數(shù)字醫(yī)學、骨關節(jié)生物3D打印及骨科康復領域，生物3D打印項目獲《Nature》專題報道。先后承擔了包括十三五科技部重點研發(fā)計劃（生物3D打�。�、十四五科技部重點研發(fā)計劃（數(shù)字醫(yī)學與微納米生物材料）、科技部“863”“973”子課題等國家級課題9項。承擔中國工程科技發(fā)展戰(zhàn)略咨詢項目。完成的“3D打印月骨”是人體3D打印最小的關節(jié)之一，該成果已申報并獲得專利，同時臨床進行轉(zhuǎn)化應用。參編專著15部，主編或者副主編專著8部、主譯及副主譯各1部，第一作者或通信作者發(fā)表包括Nature與Science旗下子刊等高影響因子論文90余篇。在上海交大設立數(shù)字醫(yī)學與3D打印前沿醫(yī)工交叉轉(zhuǎn)化研究生課程。以第一完成人獲得2022年度上海市技術發(fā)明一等獎，項目名稱“四肢骨關節(jié)炎的數(shù)字化診療關鍵技術與裝備開發(fā)”。榮獲上海醫(yī)學科技一等獎、上�？祻歪t(yī)學科技一等獎和中華醫(yī)學科技進步一等獎、江蘇醫(yī)學科技獎、吉林省科學技術一等獎等。
在戴尅戎院士的指導與支持下，率先申請到國內(nèi)第一個3D打印醫(yī)療器械注冊證，也是注冊人制度下第一張隸屬上海交通大學的科研型企業(yè)轉(zhuǎn)化的3D打印醫(yī)療器械注冊證。
專長：復雜的肩關節(jié)周圍骨折的微創(chuàng)治療；肩關節(jié)鏡下肩袖損傷與肩關節(jié)不穩(wěn)的微創(chuàng)治療；肩肘關節(jié)置換；3D打印康復輔具與骨關節(jié)內(nèi)植物3D打印的臨床轉(zhuǎn)化，通過顯微外科和定制式人工關節(jié)技術進行肩關節(jié)腫瘤的保肢治療。
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