东华大学武培怡、上海第一人民医院宋滇文： 可用于创伤性脑损伤修复的水凝胶

来源：高分子科学前沿

研究背景伴随着颅内高压的创伤性脑损伤是一种非常容易危及人生命的全球性伤病问题，一旦发生，通常需要进行复杂的开颅手术以降低颅内压，再等待颅内压稳定后（通常需要数月甚至更久）进行颅骨成形术，用以修补颅骨创口并且保护脑组织。目前用于颅骨成形术的材料通常是自体骨骼和钛网材料，它们具有高达数百GPa的弹性模量，可以有效保护颅内脑组织，但是明显的缺点是缺乏弹性，容易对颅内脑组织造成挤压，导致颅内压再次升高。因此，患者必须在颅骨切除术后等待几个月，再植入自体骨或钛网以修复颅骨缺损。患者在此期间就面临着很高的风险，暴露的脑组织缺少保护，并且必须经历两次手术，另外，这类高模量的植入材料也容易与脑组织摩擦而引起炎症等多种术后并发症。因此，修复创伤性脑损伤的理想材料不仅需要具有高强度以保护脑组织，还应具有一定的可拉伸性，以适应颅内压的变化，从而可以将颅骨切除术和颅骨成形术合并在一次手术中，进一步避免患者反复进行手术的风险。工作基础此前，武培怡教授课题组报道了一系列水凝胶和弹性体材料用以模拟生物皮肤和肌肉组织的力学、传感、和刺激响应特性：实现了对水凝胶力学性质的广谱可调，集合了一系列优异的力学性质：包括压缩回弹性，可大幅拉伸，可自修复，以及室温下的任意塑形效果（Adv. Mater. 2017, 29, 1700321; Nat. Commun. 2018, 9, 1134）；实现了对具有相同共聚单体结构的水凝胶相变行为从UCST（Utmost Critical Solution Temperature）到LCST（Lowest Critical Solution Temperature）的广泛调节 （ACS Nano, 2018, 12, 12860-12868）；模仿神经肌肉，实现行为致动与感知反馈的效果（Mater. Horiz. 2019, 6, 538-545）；优化本征可拉伸导体材料的力学性能以及对液体分子的感知功能等（Nat. Commun. 2019, 10, 3429）。

研究内容本工作中，武培怡教授课题组和上海交通大学第一人民医院宋滇文教授课题组通力合作，尝试采用高强度可拉伸的3D打印弹性水凝胶用于修复创伤性脑损伤。水凝胶材料可在颅骨切除术完成后立即植入颅骨，进行颅骨修复，不仅简化了手术过程，还避免了反复开颅手术的风险。水凝胶在体内外实验中证明了具有良好的生物相容性和生物活性，3D打印的多孔结构有利于营养物质传输和细胞生长，内部的钙离子有利于促进颅骨再生，材料还会随着骨缺陷的修复而逐步安全降解，免去了植入物再取出的风险。

相关工作近期被Advanced Functional Materials杂志接收 (Adv. Funct. Mater. 2019, 1904450)。图1. 3D打印的水凝胶材料照片、红外光谱和力学性能。这种水凝胶材料由聚丙烯酰胺的化学交联网络和海藻酸钙的物理交联网络构成，杨氏模量和断裂伸长率分别为1 MPa和117 %。当颅内脑组织发生10%的体积变化时，水凝胶形变产生的应力与颅内压都在kPa的范围内，避免了自体骨骼和钛网材料对颅内脑组织的挤压和不可逆损伤。图2. 3D打印的水凝胶植入老鼠颅骨的示意图、CT照片和骨参数统计图。这种水凝胶在植入大鼠颅骨后，可以有效促进颅骨再生，在8周后，缺损部位中心也有新生骨的产生。图3. 3D打印的水凝胶在老鼠颅骨内的降解情况。

对颅骨缺损部位进行冷冻切片评估，发现随着颅骨自身的修复，水凝胶也在4周后发生明显降解，并且在8周后几乎完全消失。说明水凝胶可以与周围骨组织同化并整合，显示了其良好的生物相容性，并且可以避免在颅骨成形术后进行再取出植入物的风险。

亮点总结

该工作提出了用弹性水凝胶来治疗创伤性脑损伤。与此前常用的自体骨和钛网相比，水凝胶的高强度和可拉伸性不仅可以保护脑组织，还可以适应颅内压变化，有利于将颅骨切除术和颅骨成形术合并在一次手术中，降低患者痛苦；而3D打印的孔隙结构有利于营养物的运输和颅骨细胞的生长，水凝胶内部丰富的钙离子可以促进骨间充质干细胞的增殖和成骨分化。通过大鼠的体内实验证明，八周后，植入的水凝胶促进了缺损颅骨的修复并且安全降解。

这项工作未来可能帮助创伤性脑损伤患者减轻痛苦，为颅骨修复材料带来新的选择。该课题得到了国家自然科学基金重点项目 (51733003) 和国家自然科学基金面上项目 (81571828，21674025) 等项目的资助与支持。车凌宾和雷周玥为文章共同第一作者，通讯作者为武培怡教授和宋滇文教授。