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  近期，《Small》期刊以“Ball-Bearing-Inspired Polyampholyte-Modified Microspheres as Bio-Lubricants Attenuate Osteoarthritis”為題，發表上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院/上海市傷骨科研究所崔文國教授、足踝外科徐向陽主任與清華大學張洪玉副研究員團隊合作的最新成果。該研究基于軸承仿生構建了超潤滑水凝膠微球，通過關節內微創注射水凝膠微球，實現關節潤滑和局部緩慢釋藥，用于骨關節炎的治療。

《Small》期刊封面圖片

  在工業機械制造領域，軸承發揮著至關重要的作用，它可以有效減少機械運轉中因過度摩擦帶來的能量損耗和機械部件磨損，從而提高機械運轉效率和使用壽命。其中球軸承通過將機械運行的滑動摩擦轉化成滾動摩擦，從而實現機械的高效、低摩擦運轉。鑒于滾珠和滑槽面的接觸面積很小（橢圓形接觸），滾珠在運行過程中的接觸部位具有極高的壓力（1-4Gpa）,極易引起滾珠破壞。因此滾珠與滑槽面接觸部位的潤滑對于維持滾珠結構穩定和球軸承長期高效低摩運轉至關重要。受球軸承潤滑原理啟發，上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院/上海市傷骨科研究所 崔文國教授、徐向陽主任和清華大學張洪玉副研究員開發了一種兼具超級潤滑和長效釋藥性能的新型高效生物潤滑劑，用于治療骨關節炎。

  該團隊利用微流控技術和光化學交聯反應，制備了高度分散、大小均一的可注射明膠基水凝膠微球，并通過一步仿生法表面接枝聚甲基磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯（pSBMA），開發了一種兼具超潤滑特性和緩釋載藥性能的新型高效生物潤滑劑。pSBMA聚合物刷一方面通過在兩性離子周圍形成強大的水合層，實現增強的水合潤滑特性和結構穩定性（抗降解）。另一方面聚合物表面涂層也提高了對裝載藥物（雙氯芬酸鈉）的緩釋性能。體外實驗表明該載藥超潤滑水凝膠微球具有良好的生物兼容性，可以顯著抑制軟骨細胞退變。將其注射到大鼠關節內，2周注射一次，8周后有效降低骨贅形成和關節軟骨的磨損，抑制了骨關節炎的發展。

圖1. 球軸承仿生超潤滑水凝膠微球的制備和應用示意圖

  與硬物質相比，軟物質（如水凝膠）可以減少相對運動表面間的摩擦，從而增強潤滑性能。水凝膠兼具固體和液體的雙重特性，適合用作生物潤滑劑和局部藥物遞送載體。與塊狀水凝膠相比，水凝膠微球在水溶液中具有更好的分散性，更大的比表面積和更快的響應性，具有作為高效潤滑劑的巨大潛力。球軸承裝置中的滾珠是分散和大小均一的，這有助于減小摩擦。相反，滾珠的聚集會增加摩擦并削減球軸承的性能。同樣的，生物潤滑劑的潤滑效果在很大程度上受到顆粒性質（例如尺寸和分散性）的影響，而顆粒的聚集會減弱其潤滑性能。基于微流控技術制作的水凝膠微球具有尺寸可控、高度分散和大小均一的特性，為制備高性能生物潤滑劑提供了一種很好的技術手段。

圖2. 超潤滑水凝膠微球的理化性質表征

  在本研究中，使用微流體技術制作了尺寸均勻的單分散微球（MGSs），然后將pSBMA刷接枝到MGS上，通過一步法形成超潤滑的MGS（MGS@DMA-SBMA）。體外研究表明，MGS@DMA-SBMA@DS具有優異生物相容性，可以有效減少軟骨細胞的變性。通過內側半月板不穩（DMM）手術構建大鼠骨關節炎模型，將載有雙氯芬酸鈉的超潤滑水凝膠微球2周一次注入大鼠關節腔，觀察其對大鼠骨關節炎的治療效果。研究結果顯示，載藥的超潤滑水凝膠微球可以明顯減少骨贅形成、抑制軟骨退變和磨損，可以明顯改善OA。

圖3.體內大鼠骨關節炎模型評價.

  該課題的完成得到上海市傷骨科研究所鄧廉夫教授的指導，林佳煒碩士，朱淵博士和王非博士的參與完成。該工作得到了國家重點研究開發項目、國家自然科學基金等項目的資助。

  論文第一作者：楊接來、韓英

  論文通訊作者：徐向陽、張洪玉、崔文國

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202070238

作者簡介：

  崔文國，教授/博導，上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院/上海市傷骨科研究所。主要基于轉化再生醫學材料，從事骨、關節等組織修復重建的研究。以第一/通訊作者發表SCI論文130多篇(IF>10的40余篇)，專利40多項，引用6800多次、H=43。任Mater Sci Eng:C和BMC Mater副主編，多本雜志的編委和客座主編。曾獲國家級青年人才計劃、主持科技部重點研發課題、國家自然科學基金重點項目、面上項目等，參與獲得上海市科技進步一等獎、教育部科學研究成果一等獎、二等獎等多次。任中華醫學會骨科基礎青年委員、生物醫學工程學會青年委員等。（歡迎致力于組織修復重建的生物、材料、藥劑、化學等各交叉專業博士后加盟該團隊，50555736@qq.com）

  張洪玉，副研究員，清華大學機械工程系摩擦學國家重點實驗室，從事生物摩擦學與仿生潤滑研究，設計并研發了多種生物醫用潤滑材料與技術，承擔國家自然科學基金優秀青年基金等項目10余項，以第一或通訊作者在Adv. Funct. Mater., Biomaterials, Nano Lett., Small, Research等期刊發表SCI收錄論文40余篇，以第一發明人申請發明專利10余件，參與撰寫《機械工程學科發展報告2014-2015：摩擦學》、《骨科植入物工程學》等中英文專著4本，擔任JWKJW生物及交叉技術領域先進仿生系統專家組助理等職務。

  徐向陽，教授/博導，上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院骨科足踝外科主任，上海交通大學附屬瑞金醫院北院骨科主任，上海交通大學醫學院足踝疾病診治中心主任。長期致力于踝關節不穩定/踝關節炎的臨床診治和發病機制的研究。先后擔任《中華骨科雜志》、《中國骨傷》、《國際骨科學雜志》等知名骨科雜志編委。先后主持國家自然科學基金5項，其他課題10項。發表SCI等期刊論文200多篇。目前擔任上海市醫師協會骨科分會足踝外科學組組長，中華醫師協會骨科學分會足踝外科學副組長，中國醫療保健國際交流促進會骨科分會足踝外科學部主任委員，中國醫師協會骨科醫師分會足踝外科工作委員會顧問，美國足踝外科協會國際委員等多項學術兼職。