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西南交大魯雄/謝超鳴、蘇大李斌/林俊 Nat. Commun.:多酚介導粘附-潤滑水凝膠用于類風濕性關節炎的全周期治療
2025-03-27  來源:高分子科技

  類風濕關節炎(RA)是一種慢性自身免疫性疾病,以關節滑膜炎癥、軟骨磨損和潤滑功能喪失為特征。現有治療方法(如抗炎藥物注射和關節潤滑劑補充)存在藥物滯留時間短、重復注射風險高、無法同時解決炎癥和軟骨損傷等問題。傳統水凝膠或側重抗炎,或側重潤滑,難以實現長效關節保護和組織修復。因此,開發一種兼具抗炎、潤滑、粘附和軟骨修復功能的創新療法迫在眉睫。


  針對以上難題,西南交通大學魯雄/謝超鳴團隊和蘇州大學李斌/林俊團隊聯合報道了一種可注射的生物粘合-潤滑水凝膠。該水凝膠主體是由負載KGN的多巴胺(DA)衍生碳量子點支撐的銅單原子納米酶(DAGQD@Cu@KGN SAN)以及多巴胺修飾的透明質酸(DA-HA)和磺酸根修飾的透明質酸(SO3--HA)構成。該研究創新性地將仿生高分子網絡與單原子催化技術深度融合,開發出兼具粘附-潤滑-再生三重功能的可注射水凝膠。其創新點在于:多酚介導的單原子銅納米酶,通過原子級分散的Cu活性中心與兒茶酚-醌氧化還原循環,實現超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和羥基自由基清除的三重催化活性;DA-HA/SO3--HA雙網絡動態交聯設計,結合貽貝仿生粘附與滑液仿生潤滑,解決傳統材料粘附弱、易流失的難題;KGN功能化緩釋系統,通過酰胺鍵精準負載軟骨誘導因子,實現長效釋放,同步招募干細胞并促其分化為軟骨細胞。


  該研究開發了一種具有生物粘附和潤滑性能的可注射水凝膠,結合多酚介導的單原子納米酶,能夠有效抑制炎癥、減輕軟骨磨損并促進軟骨修復。水凝膠在早期和晚期RA模型中均表現出顯著的療效,為RA的全周期治療提供了一種有前景的策略。



  該工作以“Injectable Bioadhesive and Lubricating Hydrogel with Polyphenol Mediated Single Atom Nanozyme for Rheumatoid Arthritis Therapy”為題發表于《Nature Communications》(Nature Communications2025162768)。


1. 水凝膠合成與RA治療機制示意圖。(ADAGQD@Cu SANDAGQD@Cu@KGN SAN的合成路徑;(BDAGQD@Cu@KGN-SO3-/DA-HA水凝膠的構建過程;(C)水凝膠在RA治療中的多功能作用:I 關節腔內原位自固化;II-III 潤滑與粘附性能;IV SAN介導的ROS清除與抗炎;V KGN釋放促進BMSCs分化為軟骨細胞


  圖2通過TEMXPS證明DAGQD@Cu@KGN SAN的成功制備,同時證明了其良好的超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和·OH清除活性,并提出了納米酶的高催化活性可能基于其雙催化機制。首先,單個Cu原子表現出類似SOD酶和CAT酶的活性,催化·O2-·OH和過氧化氫產生水和O2。第二,電子從單個Cu原子轉移到DA的醌基團,形成鄰苯二酚-醌氧化還原對,賦予系統足夠的鄰苯二酚基團來消除ROS


2. 單原子納米酶(SAN)表征。(ADAGQD@Cu SAN與(BDAGQD@Cu@KGN SAN的透射電鏡(TEM)圖像;(C)高角度環形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)圖像顯示銅單原子分散;(DUV-Vis光譜對比:DAGQDDAGQD@Cu SANDAGQD@Cu@KGN SAN;(E-FXPS分析:C1sE)與Cu2pF)譜圖;(G-I)納米酶的羥基自由基清除能力(G)、SOD活性(H)與CAT活性(I


  圖3展示了水凝膠的可注射、潤滑和粘附性能。水凝膠可通過金屬配位鍵在關節腔內原位固化,僅僅30 s就完全成膠,并與軟骨界面良好貼合。通過調節DA-HA-SO3--HA 的比例可調節水凝膠的潤滑性能以及對軟骨的粘附性。水凝膠的潤滑性能源于磺酸根,生物粘附性源于多巴胺的鄰苯二酚結構。然而,鄰苯二酚基團容易被氧化成醌基團,導致粘附力的喪失。引入DAGQD@Cu SAN后,電子可從Cu SAN轉移到醌基團,在水凝膠網絡中保持醌和兒茶酚基團之間的氧化還原平衡,水凝膠保留了足夠的鄰苯二酚基團,通過氫鍵、陽離子相互作用和共價連接與組織相互作用,確保了持久的粘附。


3. 水凝膠性能表征。(A SAN誘導水凝膠固化過程;(B 水凝膠的可注射性展示(空氣中形成“HY”字樣);(C 流變學測試:凝膠時間與SAN濃度關系;(D 兔膝關節缺損區原位固化過程;(E 自愈合性能(紅藍水凝膠融合實驗);(F 動態配位鍵介導的自愈合機制;(G 不同水凝膠的摩擦系數對比;(H-I SO3-/DA-HA比例對摩擦系數(H)與粘附強度(I)的影響;(J SAN濃度對粘附強度的調控;(K-M 水凝膠與軟骨界面結合形貌(解剖圖、掃描電鏡與金相顯微圖像);(N 仿貽貝粘附機制示意圖;(O-P SAN濃度對水凝膠壓縮強度(O)與模量(P)的影響


  圖4利用水凝膠與LPSH2O2分別與巨噬細胞共孵育進一步證明了水凝膠具有良好的ROS清除能力,這不僅是因為DAGQD@Cu@KGN-SO3-/DA-HA水凝膠上有豐富的鄰苯二酚基團,而且還因為Cu單原子納米酶具有多種ROS清除和酶催化活性。同時水凝膠還具有良好的抗炎能力,可下調促炎因子TNF-αIL-6的表達,對抑炎因子 IL-10 的表達有促進作用。DAGQD@Cu@KGN-SO3-/DA-HA水凝膠還可促進骨髓間充質干細胞(BMSCs)的增殖、粘附和分化,促進軟骨相關標記物Sox9AcanCol II的基因表達水平,證明其具有促軟骨生成能力。


4. 體外生物學性能.A-B 細胞內氧水平(RDPP熒光成像與流式分析);(C-D )巨噬細胞ROS清除效果(DCFH-DA染色與流式定量);(E-G ELISA檢測炎性因子TNF-αE)、IL-6F)與抗炎因子IL-10G);(H BMSCs在不同水凝膠上的增殖(CCK-8測試);(I BMSCs粘附形態(熒光染色);(J-M 軟骨分化標志物(Sox9AcanCol IICol X)的基因表達


  圖5利用RNA測序,通過差異基因分析和基因集富集分析(GSEA),發現DAGQD@Cu-SO3-/DA-HA水凝膠能夠顯著上調抗氧化、自噬和修復相關基因的表達,同時抑制炎癥相關基因的表達。這些結果表明,水凝膠通過抗氧化和抗炎作用,促進了軟骨的修復。


5 RNA測序分析。(A-B)差異基因火山圖(Group 2 vs. Group 1Group 3 vs. Group 1);(C)差異基因韋恩圖;(DGO功能富集分析(抗氧化、自噬、修復相關通路);(EGSEA通路分析:FoxO信號、溶酶體、破骨細胞分化與TNF通路;(F)熱圖展示抗氧化、自噬、修復與炎癥相關基因表達;(G)水凝膠作用機制整合示意圖


  圖6構建早期RA大鼠模型證明水凝膠對軟骨保護作用。通過Micro-CT和組織病理學分析,發現DAGQD@Cu@KGN-SO3-/DA-HA水凝膠能夠有效抑制軟骨下骨的破壞,減輕炎癥反應,并促進軟骨的修復。此外,水凝膠還能夠顯著降低血清中的炎癥因子水平,表明其具有全身抗炎作用。


6. 早期RA大鼠治療效果。A)實驗流程示意圖;(BMicro-CT三維重建顯示關節骨破壞程度;(C-D)組織學染色(H&ESafranin-O)評估軟骨完整性;(E-J)免疫組化與定量分析:Sox9Col IIAcan表達水平;(K-M)血清炎性因子(IL-6IL-1βIFN-γ)濃度檢測


  圖7構建晚期RA兔模型中證明水凝膠對軟骨重建作用。通過Micro-CT和組織病理學分析,發現DAGQD@Cu@KGN-SO3-/DA-HA水凝膠能夠顯著促進軟骨和軟骨下骨的重建,減輕炎癥反應,并提高新生軟骨組織的力學性能。這些結果表明,水凝膠在晚期RA中具有顯著的軟骨修復能力。


7 晚期RA兔軟骨修復效果。(A)實驗流程示意圖;(B)關節缺損區宏觀觀察(黑色箭頭標記缺損位點);(CMicro-CT分析骨再生(BV/TV與骨小梁數量);(D-E)組織學染色(Safranin-O)評估新生軟骨基質;(F-G)骨體積分數(BV/TV)與骨小梁數量(Tb.N)定量;(H-I)組織學評分(HSSOARSI評分);(J-K)納米壓痕測試:新生組織的抗變形能力與彈性模量


  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-025-58059-z

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(責任編輯:xu)
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