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，其主要特征是體內血糖水平持續升高，由于胰島素的不足或細胞對胰島素的反應異常引起，需要持續的自我管理和醫療監護，以減少并發癥的風險，提高生活質量。
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病，其主要原因是免疫系統攻擊胰腺內產生胰島素的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，引發一系列嚴重的并發癥。這些并發癥包括但不限于：心血管疾病、神經病變、腎臟疾病、眼部疾病（糖尿病視網膜病變）、足部潰瘍等。此外，糖尿病還會影響骨骼健康和創面愈合能力。
骨骼影響
- 骨質疏松：長期高血糖狀態可能干擾鈣質代謝，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。
- 關節病變：糖尿病可能導致關節炎、骨關節病等關節問題。這與糖尿病引發的炎癥、血管病變等因素有關。高血糖還會導致糖化終產物的積累，損害骨骼蛋白質的結構和功能。
創面愈合影響
- 延緩創面愈合：高血糖狀態可能影響創面愈合的各個階段，包括炎癥期、增生期和修復期，導致創面愈合時間延長，增加感染、潰瘍等并發癥的風險。
- 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，這會延緩創面的愈合進程。
- 血液供應不足：高血糖狀態影響微血管的健康，減少血液流向創面，導致創面缺氧，進而影響創面的愈合。
- 瘢痕形成：糖尿病可能導致創面愈合不完全，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域的炎癥微環境，糖尿病患者的骨缺損修復仍然是臨床治療中的一個挑戰。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境，并進一步加速骨修復。支架上裝有骨形態發生蛋白4 (BMP-4) 、骨髓間充質干細胞 (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，還能賦予持續釋放BMP-4的能力。研究發現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。它還表現出優異的吸水性和H2O2消耗能力，可以響應過量的氧化微環境，促進傷口愈合。該水凝膠表現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，水凝膠通過炎癥調節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癥之一。糖尿病足定義為：糖尿病患者由于并發神經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；定期監測血糖水平，確保在安全范圍內；按照醫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，以及與醫療專業人士合作，制定個體化的糖尿病管理計劃。
專家介紹
王金武，醫學博士，上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院骨科主任醫師，上海交通大學醫學院教授，上海交通大學生物醫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計劃首席科學家，上海交通大學轉化醫學研究院首席科學家，第五屆“卓越建樹”人民名醫。轉化醫學國家重大科技基礎設施（上海）創新醫療器械注冊研究與臨床轉化服務中心主任、數字醫療與生物3D打印實驗室主任，數字醫學臨床轉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，中華醫學會上海市數字醫學專科分會候任主任委員，中華醫學會數字骨科創傷與關節委員會副主任委員，國家食品藥品監督管理總局（NMPA）評審專家，上海市優秀技術帶頭人，上海市衛健委骨與關節康復醫學科重點學科帶頭人，上海市臨床康復領軍人才，上海市康復醫學工程研究會理事長，上海康復輔具與老年福祉產業技術創新戰略聯盟副理事長兼秘書長，中華醫學會醫學工程學分會數字骨科專委會副主任委員，中國研究型醫院學會運動醫學專業委員會副主任委員，中國生物材料學會生物材料先進制造分會副主任委員，中國醫藥生物技術協會3D 打印技術分會副主任委員。長期致力于骨關節外科、數字醫學、骨關節生物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計劃（生物3D打印）、十四五科技部重點研發計劃（數字醫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展戰略咨詢項目。完成的“3D打印月骨”是人體3D打印最小的關節之一，該成果已申報并獲得專利，同時臨床進行轉化應用。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。在上海交大設立數字醫學與3D打印前沿醫工交叉轉化研究生課程。以第一完成人獲得2022年度上海市技術發明一等獎，項目名稱“四肢骨關節炎的數字化診療關鍵技術與裝備開發”。榮獲上海醫學科技一等獎、上海康復醫學科技一等獎和中華醫學科技進步一等獎、江蘇醫學科技獎、吉林省科學技術一等獎等。
在戴尅戎院士的指導與支持下，率先申請到國內第一個3D打印醫療器械注冊證，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轉化的3D打印醫療器械注冊證。
專長：復雜的肩關節周圍骨折的微創治療；肩關節鏡下肩袖損傷與肩關節不穩的微創治療；肩肘關節置換；3D打印康復輔具與骨關節內植物3D打印的臨床轉化，通過顯微外科和定制式人工關節技術進行肩關節腫瘤的保肢治療。
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病，其主要原因是免疫系統攻擊胰腺內產生胰島素的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，引發一系列嚴重的并發癥。這些并發癥包括但不限于：心血管疾病、神經病變、腎臟疾病、眼部疾病（糖尿病視網膜病變）、足部潰瘍等。此外，糖尿病還會影響骨骼健康和創面愈合能力。
骨骼影響
- 骨質疏松：長期高血糖狀態可能干擾鈣質代謝，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。
- 關節病變：糖尿病可能導致關節炎、骨關節病等關節問題。這與糖尿病引發的炎癥、血管病變等因素有關。高血糖還會導致糖化終產物的積累，損害骨骼蛋白質的結構和功能。
創面愈合影響
- 延緩創面愈合：高血糖狀態可能影響創面愈合的各個階段，包括炎癥期、增生期和修復期，導致創面愈合時間延長，增加感染、潰瘍等并發癥的風險。
- 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，這會延緩創面的愈合進程。
- 血液供應不足：高血糖狀態影響微血管的健康，減少血液流向創面，導致創面缺氧，進而影響創面的愈合。
- 瘢痕形成：糖尿病可能導致創面愈合不完全，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域的炎癥微環境，糖尿病患者的骨缺損修復仍然是臨床治療中的一個挑戰。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境，并進一步加速骨修復。支架上裝有骨形態發生蛋白4 (BMP-4) 、骨髓間充質干細胞 (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，還能賦予持續釋放BMP-4的能力。研究發現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。它還表現出優異的吸水性和H2O2消耗能力，可以響應過量的氧化微環境，促進傷口愈合。該水凝膠表現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，水凝膠通過炎癥調節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癥之一。糖尿病足定義為：糖尿病患者由于并發神經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；定期監測血糖水平，確保在安全范圍內；按照醫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，以及與醫療專業人士合作，制定個體化的糖尿病管理計劃。
專家介紹
王金武，醫學博士，上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院骨科主任醫師，上海交通大學醫學院教授，上海交通大學生物醫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計劃首席科學家，上海交通大學轉化醫學研究院首席科學家，第五屆“卓越建樹”人民名醫。轉化醫學國家重大科技基礎設施（上海）創新醫療器械注冊研究與臨床轉化服務中心主任、數字醫療與生物3D打印實驗室主任，數字醫學臨床轉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，中華醫學會上海市數字醫學專科分會候任主任委員，中華醫學會數字骨科創傷與關節委員會副主任委員，國家食品藥品監督管理總局（NMPA）評審專家，上海市優秀技術帶頭人，上海市衛健委骨與關節康復醫學科重點學科帶頭人，上海市臨床康復領軍人才，上海市康復醫學工程研究會理事長，上海康復輔具與老年福祉產業技術創新戰略聯盟副理事長兼秘書長，中華醫學會醫學工程學分會數字骨科專委會副主任委員，中國研究型醫院學會運動醫學專業委員會副主任委員，中國生物材料學會生物材料先進制造分會副主任委員，中國醫藥生物技術協會3D 打印技術分會副主任委員。長期致力于骨關節外科、數字醫學、骨關節生物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計劃（生物3D打印）、十四五科技部重點研發計劃（數字醫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展戰略咨詢項目。完成的“3D打印月骨”是人體3D打印最小的關節之一，該成果已申報并獲得專利，同時臨床進行轉化應用。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。在上海交大設立數字醫學與3D打印前沿醫工交叉轉化研究生課程。以第一完成人獲得2022年度上海市技術發明一等獎，項目名稱“四肢骨關節炎的數字化診療關鍵技術與裝備開發”。榮獲上海醫學科技一等獎、上海康復醫學科技一等獎和中華醫學科技進步一等獎、江蘇醫學科技獎、吉林省科學技術一等獎等。
在戴尅戎院士的指導與支持下，率先申請到國內第一個3D打印醫療器械注冊證，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轉化的3D打印醫療器械注冊證。
專長：復雜的肩關節周圍骨折的微創治療；肩關節鏡下肩袖損傷與肩關節不穩的微創治療；肩肘關節置換；3D打印康復輔具與骨關節內植物3D打印的臨床轉化，通過顯微外科和定制式人工關節技術進行肩關節腫瘤的保肢治療。
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