生物相容水凝膠有望重建軟骨修復關節

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運動員、勞動者及長者常因過度勞動或身體退化,關節之間的軟骨不斷磨損,變得愈來愈薄弱,當中以承受身體八成重量的膝蓋關節最易受損;由於骨膜布滿神經和血管,失去軟骨保護的骨頭互相磨擦,為患者帶來巨大痛楚,嚴重者甚至要依靠輪椅代步。

前較常用的治療方法是在關節位置注射透明質酸充當潤滑劑以紓緩關節痛楚;然而,透明質酸容易降解,很快被身體吸收而失去潤滑功能,效果一般只能維持半年至一年。若膝關節退化嚴重,軟骨已完全消失,此方法的紓緩效果有限。

香港中文大學生物醫學工程學系邊黎明教授領導的研究團隊,成功以透明質酸、明膠等天然高分子為基礎,開發了一系列能與生物相容的功能化水凝膠。水凝膠具備良好的延伸性,能緩慢降解,破碎後自我復原,可應用於治療膝蓋關節損傷,以及骨骼損傷、腰椎間盤突出症等疾病,同時是蛋白質藥物及幹細胞的理想載體,為再生醫學發展提供了高性能、低成本、易使用的應用材料,解決令人困擾的關節痛症。

生物相容水凝膠放大圖,圖為中大生物醫學工程學系博士後研究員韋孔昌博士。

過去兩年多,邊黎明教授的團隊專注開發醫學用水凝膠工程,是研究最前沿水凝膠技術的團隊之一,所開發的技術具國際領先地位。邊教授解釋,以生物聚合衍生物為材料開發的水凝膠,經過化學改良及動物測試,提升了回彈力和抗壓力,不會輕易破碎流失,能延長紓緩效果;此外,水凝膠具良好的可塑性,可緊密地填補形狀不規則的軟骨缺損,有利於促進軟骨的修復;同時該水凝膠黏力強,黏附在關節軟骨組織時不容易移位,如在水凝膠內混入藥物並黏附在患處,可以做到定位釋放藥力,減少藥物異位釋放引起的副作用。

邊黎明教授展示生物相容水凝膠樣本。

解決關節痛的治本之道是重建患者的軟骨,生物相容的水凝膠擔當了關鍵的角色。邊黎明教授表示:「水凝膠具有獨特的物理性質,生物相容度高,人體的軟骨細胞可浸入其中,水凝膠可以模擬細胞外基質(Extracellular Matrix,ECM)的組分,促進內原細胞的補充,協助身體自我復原,重建軟體組織。該研究成果的另一個應用方向,是由水凝膠作為幹細胞的載體,將培植出來的幹細胞封裝起來,再注射入缺損部位,支持細胞在其中的鋪展及成骨分化,為再生醫學發展提供了良好的基礎。」

現時醫學界採用的幹細胞載體是紙張狀的薄膜,如要植入膝蓋關節,須開刀處理,植入後需要縫合固定,手術複雜,風險較高,又會留下疤痕;水凝膠則突破了二維薄膜的限制,以三維的形態封裝幹細胞,有利於細胞的生長,同時其良好的軟骨黏附性避免了縫合步驟,其高度可塑性可經由注射方式進入缺損之位置,適合微創手術使用,減低手術的入侵性,加快復原時間。

水凝膠的主要成分為透明質酸及明膠,是符合醫學安全標準的常用材料,供應量穩定,採購成本低,有助水凝膠之普及應用。邊黎明教授表示,研究團隊得到創新科技署資助,並夥拍香港沙田威爾斯親王醫院及深圳第二人民醫院進行測試,以供動物如馬匹、寵物之關節修復使用。研究成果於2016年度生物工程創新組織(Biotechnology Innovation Organization,BIO)假美國三藩市舉行的國際會議中發布,獲學術及醫療界高度評價及關注。

展望將來,邊黎明教授表示研究將進入人類臨床測試階段,應用範圍可擴展至關節炎和關節退化等其他軟骨組織疾病的治療。3

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