基于微结构的粘性仿生薄膜在软骨和皮肤组织再生医学中的基础研究

The strategic national science and technology initiatives are geared towards building an innovation-driven industry and economy by establishing strong translational research, which brings biomedical research outcomes into clinical practices and medical products. Injury or degeneration of various tissues remains a significant clinical problem due to the lack of ability to self-repair and regenerate, which often lead to the loss of tissue function and require invasive surgical procedures to replace or remove affected tissues. The existing clinical treatments have limited effect for restoring tissue integrity and functionality. Many current research focus on cell-laden scaffolds in the hope to facilitate tissue regeneration. However, these strategies suffer from limited access to autologous cells, the difficulty in securing and stabilizing tissue construct, undesired tissue lineage formation and potential inflammation at the tissue defects. This project aims to develop a novel adhesive biomimetic film that can address the above challenges and facilitate regeneration of cartilaginous and skin tissues in situ. The proposed strategy combines (1) decellularized cell sheet technology to provide biomimetic tissue microenvironment, (2) an electrospun nanofiber mat to provide strong mechanical strength and (3) incorporation of biofactors-loaded (bioadhesives, growth factors and drugs) microspheres to facilitate timely controlled release to promote material-tissue interaction and in situ tissue reconstruction. The major deliverable from this project is a functionalized biomimetic “healing patch” with excellent mechanical strength and advanced biofactor loading/delivery system, which can also be customized for repairing various tissues in regenerative medicine.

因创伤或衰老引发的组织功能衰退在当前医学界仍然是一项重大问题。人体很多无血管组织缺乏自修复和再生能力，需要经过侵入式的手术治疗以移除或更换受影响组织。但多数此类临床治疗方式仍然不能有效的恢复受损组织的完整性和功能性。众多现有基于组织工程的医疗研究依赖于可移植于人体的装载细胞的生物支架以帮助组织恢复再生。然而此技术的临床实现依然存在极大的挑战性。针对当前此类重大医学问题，本项目拟研究一种基于微结构的粘性仿生薄膜，以帮助软骨与皮肤组织由于老化或受创后的再生和恢复。此项研究将充分结合脱细胞化处理的外间质薄层技术产生微观仿生环境、利用静电纺丝技术加强其机械强度、及利用微纳米球实现对所载药物及生化活性因子的可控释放。通过对细胞组织在仿生膜上的形态、扩增、迁移、基因表达等多性状研究，阐明此功能化仿生微结构在促进受损组织重构与修复中的协同作用机制，为其在关节软骨和皮肤组织再生医学的临床转化提供理论基础。

本项目原定研究内容是基于微结构的仿生薄膜在软骨和皮肤组织再生医学中的研究，项目执行过程中本团队分别在原定阶段性目标，包括纳米活性物质载体和微针膜结构中取得了部分阶段性进展，但由于2020年上半年新冠疫情的影响和限制下，学校实验室化学合成以及动物实验设施被强制性关闭，项目团队无法开展耗时较长的系统性动物体内软骨修复实验，于是只能在原计划项目基础上进行了部分研究内容和技术路线的调整。2020年下半年待实验条件充分开放后，将研究重点转移到了新型多功能诊疗一体化纳米介质体系的设计与合成，并将之载于基于聚合物微针的柔性膜结构，在有限的时间内利用小鼠动物模型研究了此类新型载药微针膜结构在小鼠皮肤经皮递药诊疗、伤口消杀等方面的研究。虽然本项目做了以上较大的调整，但是所获得的研究成果与项目原定目标是一致的，初步证明了基于微针结构的柔性薄膜具有较强的机械性能，可有效负载多类具有光敏、杀菌、抑制肿瘤等生化功效的新型纳米介质体系，在其内部具有可调的多孔状纳米结构并影响其药物释放速率，从而实现可控的药物经皮自动缓释动态特征，并将之有效经皮递送至体表或真皮层起到诊疗和促进组织修复的功能。通过对微针薄膜刺皮后的3D共聚焦成像以及皮肤热成像研究，初步证实了此类微针可高效经皮递送荧光分子和功能性诊疗药物，为柔性可穿戴诊疗一体化生物薄膜材料与器件的开发提供了新的思路。在本项目的资助下，项目组一共发表了23篇以上的优质SCI论文，取得了同行广泛的关注和引用，获得了6项授权国家发明专利，培养了4名博士研究生，其中1名已顺利毕业，在基础研究、专利成果、论文发表、研究生培养、学术交流、科技传播普及等多方面总体达到甚至超过原定的目标任务。