生物相容水凝胶有望重建软骨修复关节

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运动员、劳动者及长者常因过度劳动或身体退化,关节之间的软骨不断磨损,变得愈来愈薄弱,当中以承受身体八成重量的膝盖关节最易受损;由于骨膜布满神经和血管,失去软骨保护的骨头互相磨擦,为患者带来巨大痛楚,严重者甚至要依靠轮椅代步。

前较常用的治疗方法是在关节位置注射透明质酸充当润滑剂以纾缓关节痛楚;然而,透明质酸容易降解,很快被身体吸收而失去润滑功能,效果一般只能维持半年至一年。若膝关节退化严重,软骨已完全消失,此方法的纾缓效果有限。

香港中文大学生物医学工程学系边黎明教授领导的研究团队,成功以透明质酸、明胶等天然高分子为基础,开发了一系列能与生物相容的功能化水凝胶。水凝胶具备良好的延伸性,能缓慢降解,破碎后自我复原,可应用于治疗膝盖关节损伤,以及骨骼损伤、腰椎间盘突出症等疾病,同时是蛋白质药物及干细胞的理想载体,为再生医学发展提供了高性能、低成本、易使用的应用材料,解决令人困扰的关节痛症。

生物相容水凝胶放大图,图为中大生物医学工程学系博士后研究员韦孔昌博士。

过去两年多,边黎明教授的团队专注开发医学用水凝胶工程,是研究最前沿水凝胶技术的团队之一,所开发的技术具国际领先地位。边教授解释,以生物聚合衍生物为材料开发的水凝胶,经过化学改良及动物测试,提升了回弹力和抗压力,不会轻易破碎流失,能延长纾缓效果;此外,水凝胶具良好的可塑性,可紧密地填补形状不规则的软骨缺损,有利于促进软骨的修复;同时该水凝胶黏力强,黏附在关节软骨组织时不容易移位,如在水凝胶内混入药物并黏附在患处,可以做到定位释放药力,减少药物异位释放引起的副作用。

边黎明教授展示生物相容水凝胶样本。

解决关节痛的治本之道是重建患者的软骨,生物相容的水凝胶担当了关键的角色。边黎明教授表示:「水凝胶具有独特的物理性质,生物相容度高,人体的软骨细胞可浸入其中,水凝胶可以模拟细胞外基质(Extracellular Matrix,ECM)的组分,促进内原细胞的补充,协助身体自我复原,重建软体组织。该研究成果的另一个应用方向,是由水凝胶作为干细胞的载体,将培植出来的干细胞封装起来,再注射入缺损部位,支持细胞在其中的铺展及成骨分化,为再生医学发展提供了良好的基础。」

现时医学界采用的干细胞载体是纸张状的薄膜,如要植入膝盖关节,须开刀处理,植入后需要缝合固定,手术复杂,风险较高,又会留下疤痕;水凝胶则突破了二维薄膜的限制,以三维的形态封装干细胞,有利于细胞的生长,同时其良好的软骨黏附性避免了缝合步骤,其高度可塑性可经由注射方式进入缺损之位置,适合微创手术使用,减低手术的入侵性,加快复原时间。

水凝胶的主要成分为透明质酸及明胶,是符合医学安全标准的常用材料,供应量稳定,采购成本低,有助水凝胶之普及应用。边黎明教授表示,研究团队得到创新科技署资助,并伙拍香港沙田威尔斯亲王医院及深圳第二人民医院进行测试,以供动物如马匹、宠物之关节修复使用。研究成果于2016年度生物工程创新组织(Biotechnology Innovation Organization,BIO)假美国三藩市举行的国际会议中发布,获学术及医疗界高度评价及关注。

展望将来,边黎明教授表示研究将进入人类临床测试阶段,应用范围可扩展至关节炎和关节退化等其他软骨组织疾病的治疗。3

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