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北京大學王宇光、清華大學張洪玉課題組 AFM:固-液復合“納米滑雪板”實現骨關節炎癥的長效治療
2022-09-13  來源:高分子科技

  骨關節炎是一種慢性關節疾病,面部的顳下頜關節、膝關節等多個關節都可發病,其發病機制和進展與關節摩擦密切相關。應用非甾體抗炎藥的常規臨床治療存在藥物劑量大、使用率低、停留時間短、胃腸道副作用大等問題。關節腔內潤滑補償是另一種重要的治療方法,主要通過減少關節磨損來緩解骨關節炎癥狀并改善關節功能。然而,現有的透明質酸等商品化潤滑劑在實際應用中存在酶降解引起的體內穩定性欠佳與關節運動引起的剪切稀化等問題,導致關節潤滑失效,從而引發軟骨進一步退化和骨關節炎加重。因此,迫切需要一種新的治療方法來克服上述問題,同時實現有效的抗炎效果和穩定的潤滑功能。


  受滑雪板固-液復合潤滑的滑行機制啟發,本研究合成了一種“納米滑雪板”(MoS2-PDMP-DS)。其中,二硫化鉬納米片(MoS2)是一種二維層狀材料,具有優異的光熱轉換性能,同時作為固體潤滑劑和抗炎藥物雙氯芬酸鈉(DS)的遞送載體。此外,為了避免生理環境中MoS2的氧化變性,使用仿生聚合物—聚(多巴胺-甲基丙烯酰胺-2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰膽堿)(PDMPC)對MoS2進行表面改性,基于水合潤滑機理在MoS2表面形成穩定水合層,構建了穩定的固-液復合潤滑體系,從而可改善關節腔內MoS2的潤滑性能和穩定性。體外和體內實驗表明,MoS2-PDMPC-DS在關節腔內停留時間一周以上,并在近紅外光(NIR)刺激下緩慢釋放抗炎藥物,發揮長效潤滑和抗炎作用,有效治療骨關節炎。因此,該固-液復合潤滑“納米滑雪板”體系為骨關節炎的抗炎和潤滑協同治療提供了一種新思路。該研究以“A Solid-liquid Composite Lubricating Nano-snowboard for Long-acting Treatment of Osteoarthritis”為題發表在《Adv. Funct. Mater.》上。

 

1 納米滑雪板MoS2-PDMPC-DS的制備以及治療骨關節炎的機理示意圖


  為研究MoS2-PDMPC的潤滑性能,本研究測試了不同濃度和載荷下MoS2-PDMPC的摩擦系數(COF)。結果顯示,MoS2納米片本身具有一定的潤滑性能,在載荷為35-55 MPa時,COF值為0.06-0.07,顯著低于純水的COF值(約0.12)。而MoS2-PDMPCCOF值為0.03-0.04,表明PDMPC的修飾將MoS2納米片的潤滑性能提高了近50%MoS2-PDMPC優異的潤滑性能主要歸因于固體潤滑劑和液體潤滑劑的雙重性能。PDMPC中的N+(CH3)3PO4-官能團通過電荷-偶極相互作用吸附大量水分子,在MoS2納米片表面形成穩定的水化層,可抵抗關節運動過程中的剪切力,實現固-液復合潤滑效果。

 

2 不同實驗條件下的潤滑性能和潤滑機制示意圖


  本研究通過前交叉韌帶橫斷術(ACLT)建立了大鼠膝關節骨關節炎模型,并對比了DSDS+NIRMoS2-PDMPC-DSMoS2-PDMPC-DS+NIR組對膝關節骨關節炎的治療效果。通過4周的干預,MoS2-PDMPC-DS+NIR組表現出顯著優于DSDS+NIRMoS2-PDMPC-DS組的療效。影像學分析表明,MoS2-PDMPC-DS+NIR減輕了骨關節炎關節間隙的異常縮小,同時減少了骨關節表面的骨質破壞與骨贅形成。組織學分析表明,MoS2-PDMPC-DS+NIR改善了關節軟骨表面連續性與光滑度,減少了骨關節炎軟骨破壞引起的軟骨基質成分損失,同時降低了關節組織內炎癥因子的表達水平。


MoS2-PDMPC-DS治療大鼠膝關節骨關節炎。(aX線顯示關節間隙;(bMicro-CT顯示骨質破壞與骨贅形成;(c)膝關節組織免疫組化染色顯示炎癥因子表達;(b)膝關節組織番紅-固綠染色顯示軟骨基質成分。


  總結:本研究將固-液復合潤滑的概念應用于骨關節炎的治療,成功合成了一種近紅外光響應的仿生“納米滑雪板”MoS2-PDMPC-DS,發揮長效抗炎和潤滑的雙重功能。利用聚合物PDMPCMoS2納米片進行改性,在其表面形成水化層,提高了MoS2納米片的穩定性,賦予納米片固相和液相潤滑的雙重性能。此外,將DS負載到MoS2納米片上,在NIR照射下釋放藥物,發揮抗炎作用。作為一種新型的光響應固-液復合潤滑“納米滑雪板”,MoS2-PDMPC-DS具有遠程藥物控釋、長期穩定性和有效抗炎活性等特點,在治療顳下頜及其他骨關節炎方面具有一定的應用潛力。本研究得到了國家自然科學基金(52022043, 51972003)的資助。


  本論文的第一作者為北京大學醫學部碩士生仇雯頡、清華大學機械系/山東大學口腔醫學院趙微微博士和北京大學醫學部張櫨丹博士,通訊作者為清華大學機械系/山東大學口腔醫學院趙微微博士、清華大學張洪玉副研究員和北京大學醫學部王宇光副教授。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202208189

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