在再生醫(yī)學和組織工程中，植入支架作為促進組織修復與再生的重要工具，正受到越來越多的關(guān)注。這些可降解的支架不僅能夠提供機械支持，還能促進新生組織的生長，避免二次手術(shù)移除。然而，支架在體內(nèi)的降解過程極為復雜，涉及其結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能的多維變化。當前的監(jiān)測手段往往依賴于侵入性取樣和解剖分析，無法實時、全面地追蹤支架的降解進程。同時，現(xiàn)有的非侵入性成像技術(shù)，如CT和PET等，由于分辨率有限或需要放射性示蹤劑，難以提供植入物與周圍組織的詳細互動信息。因此，開發(fā)一種能夠精準、實時、無創(chuàng)監(jiān)測支架降解過程的技術(shù)成為該領域亟待解決的重要挑戰(zhàn)。
近日，西湖大學楊健教授研究團隊開發(fā)了一種名為BPLPMGd的新型可降解聚合物，能夠通過近紅外（NIR）熒光成像與磁共振成像（MRI）的結(jié)合，實現(xiàn)植入物演變的五維（5D）監(jiān)控。這一創(chuàng)新性技術(shù)為組織工程支架的降解監(jiān)測提供了全新的解決方案，在再生醫(yī)學領域具有廣泛的應用潛力。2024年10月29日，該研究成果以“Biodegradable Citrate-Based Polymers Enable 5-Dimensional Monitoring of Implant Evolution”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，前賓夕法尼亞州立大學博士生單鼎英，西湖大學工學院博士后王丁博文，前賓夕法尼亞州立大學博士生馬運聰為共同第一作者，賓夕法尼亞州立大學生物醫(yī)學工程系張南鄞教授和前博士后梁智峰，賓夕法尼亞州立大學醫(yī)學院外科系Dino Ravnic教授為共同作者。
該工作始于BPLPMGd的設計與制備。圖1展示了研究者如何通過簡單的化學反應，將檸檬酸、1,8-辛二醇、L-絲氨酸與釓螯合物（Gd-DTPA）相結(jié)合，成功合成了一種具有雙模式成像功能的聚合物材料。這個材料不僅具有生物相容性，還能夠通過調(diào)節(jié)其組成成分來控制其降解速度。這種設計使得BPLPMGd能夠在體內(nèi)長時間使用，并且在降解過程中持續(xù)發(fā)揮作用。此外，研究者采用了鹽析法來制備高孔隙度的支架結(jié)構(gòu)，這種多孔結(jié)構(gòu)為細胞的滲入和生長提供了理想的微環(huán)境，從而進一步支持組織再生。
圖1 BPLPMGd的制備與表征
材料設計完成后，接下來就是驗證其成像性能。圖2展示了BPLPMGd的熒光與MRI成像能力。研究者發(fā)現(xiàn)，該聚合物在近紅外區(qū)域具有良好的熒光發(fā)射性能，能夠?qū)崿F(xiàn)深度穿透成像，這為植入物的體內(nèi)監(jiān)測提供了極大的便利。此外，隨著釓螯合物（Gd-DTPA）含量的增加，BPLPMGd在MRI成像中的信號強度也顯著增強，進一步提高了成像的清晰度和準確性。這種雙模式成像技術(shù)的結(jié)合，使得研究者能夠同時獲取支架的分子層面信息（熒光成像）和宏觀結(jié)構(gòu)變化（MRI成像），為支架的降解過程提供了全面的數(shù)據(jù)支持。
圖2 體外熒光與MRI研究
圖3展示了BPLPMGd在大鼠模型中的體內(nèi)實驗結(jié)果。通過將支架植入大鼠的皮下和肌肉中，研究者利用近紅外熒光成像技術(shù)，實時追蹤支架的降解過程。隨著時間的推移，支架的熒光信號逐漸減弱，表明支架正在逐步降解。值得注意的是，這一監(jiān)測過程是完全非侵入性的，研究者無需對實驗動物進行手術(shù)操作，即可獲取實時的支架降解信息。
圖3 體內(nèi)近紅外熒光成像研究
除了熒光成像外，MRI成像進一步提供了支架的結(jié)構(gòu)變化信息。圖4展示了支架在體內(nèi)的MRI成像結(jié)果，研究者通過3D重建技術(shù)，精準捕捉到了支架的體積變化和表面積變化。這些數(shù)據(jù)進一步揭示了植入支架在不同位置的降解速率，例如，肌肉中的支架比皮下的支架降解更快。通過MRI成像，研究者能夠全面掌握支架在體內(nèi)的形態(tài)變化，為支架的降解過程提供了更加精細的結(jié)構(gòu)信息。
圖4 體內(nèi)MR成像研究
為了進一步驗證支架的降解行為，研究者通過組織學分析對支架的降解過程進行了研究。圖5展示了支架在體內(nèi)的組織學結(jié)果。隨著時間推移，支架的固體內(nèi)容物逐漸減少，周圍組織逐步滲入支架中，支架與周圍組織的相互作用越來越緊密。研究還通過顯微熒光成像進一步證明，BPLPMGd的降解主要由表面侵蝕和體積侵蝕共同作用，且這一過程與體內(nèi)成像結(jié)果一致。這種多維度的驗證進一步證實了BPLPMGd在植入物監(jiān)測中的有效性。
圖5 植入BPLPMGd支架的組織學研究
該研究成功開發(fā)了一種新型可降解聚合物BPLPMGd，結(jié)合了近紅外熒光成像與磁共振成像技術(shù)，實現(xiàn)了對植入支架三維結(jié)構(gòu)、位置、質(zhì)量損失、體積和幾何構(gòu)型的五維監(jiān)控。熒光成像穿透能力有限但能提供高分辨率、高信噪比及實時成像能力，而MRI可以獲得厘米級的穿透深度。兩種成像模態(tài)即可單獨使用，又可互為補充。在該工作中，體內(nèi)熒光成像和MR成像的聯(lián)合使用可以獲取詳細信息或監(jiān)測植入支架的降解過程，同時提供優(yōu)于單獨使用任何一種技術(shù)的補充數(shù)據(jù)。通過體內(nèi)實驗驗證，BPLPMGd在非侵入性實時監(jiān)測支架降解過程方面表現(xiàn)出卓越的成像能力和生物相容性。該聚合物在再生醫(yī)學領域具有廣泛的應用潛力，為未來智能植入物的設計和監(jiān)控提供了新的思路。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414400
