近期，中科院长春应化所郭金山研究员（原南方医科大学基础医学院教授）携手西湖大学杨健教授和南医三院蔡道章教授在Bioactive Materials上发表文章：Injectable citrate-based polyurethane-urea as a tug-of-war-inspired bioactive self-expansive and planar-fixing screw augmented bone-tendon healing。针对传统 “点状”腱骨固定方式常带来应力集中、肌腱断裂等问题，本文开发了一种腱骨愈合新策略：利用湿固化胶粘剂在骨髓道和肌腱之间自膨胀交联通过物理膨胀（“面式”挤压）、机械锁合和化学键合实现牢固且稳定的腱骨固定。
01
作为最常见的运动损伤之一，每10万人中大约每年有68.6人发生前交叉韧带（ACL）损伤，如不及时治疗会导致关节不稳定并失去功能、软骨和半月板损伤，骨关节炎甚至关节置换。前交叉韧带（ACL）重建是目前修复ACL损伤最有效的方法。然而现有腱骨固定通常依赖聚合物/金属界面/挤压骨螺钉将肌腱通过“点状”挤压方式固定在骨髓道中，常带来应力集中，造成局部骨脱矿或者阻碍骨痂形成。腱骨固定不良常带来肌腱在骨髓道中横向（“雨刷效应”）或纵向（“蹦极效应”）摆动，造成腱骨愈合失败。因此，开发新型腱骨固定方式以更有效地促进腱骨愈合是亟待解决的问题。
受拔河比赛多人握绳、均匀发力的启发，本研究开发了一种改变游戏规则的腱骨固定范式：开发了由反应型异氰酸酯（NCO）封端的柠檬酸基聚氨酯、原花青素改性羟基磷灰石（PC-HAp）和水（含/不含致孔剂）组成的可注射柠檬酸基生物活性自膨胀面性固定螺钉（iCSP-Scr），并将其应用于骨隧道和肌腱间隙。随着水引发反应型聚氨酯的交联反应，生成的二氧化碳气体促使可注射骨螺钉/胶粘剂在骨隧道和肌腱间隙的限域空间内膨胀将肌腱均匀挤压并牢固固定在骨隧道中，通过物理膨胀、机械锁合和化学键合（-NCO和与骨基质上的-NH2、-SH发生化学反应）实现牢固且稳定的腱骨固定。iCSP-Scr具有良好的生物降解性、生物相容性和由柠檬酸、PC和HAp带来的骨诱导性，能随着材料降解促进促进骨再生，促进骨隧道内向缩窄，从而进一步使肌腱在骨隧道中的固定更加牢固，最终在兔前交叉韧带（ACL）重建模型中术后14周，与钛螺钉（3mm直径，93.76 ± 17.89N）相比，表现出更强的肌腱拔出力（106.15 ± 23.15N）（图1）。
图1. iCSP-Scr的合成过程，膨胀和制孔机制及受拔河启发固定ACL的示意图。
为了优化iCSP-Scr的配方，本研究分别探究不同用量的CPU-NCO、PC-HAp、水和致孔剂对膨胀率、孔隙率、压缩强度、硬度的影响，从而确定性能最优化的配方。iCSP-Scr的膨胀源于二氧化碳的生成，与空间密闭性也紧密相关，而ACL重建时肌腱与骨隧道之间是一种不完全密封的限域空间，因此本研究对不同密闭条件下终配方iCSP-Scr进行了表征，以更全面的展现iCSP-Scr的性能（图2、3）。
图2. iCSP-Scr在限域空间膨胀前后的变化（A），固化时间（B）、膨胀率（C）、孔隙率（D）及形貌（E）表征。
图3. iCSP-Scrs固化后硬度（A）、强度（B-D）、降解（G）和PC释放（H、I）性能，以及体外肌腱替代物拔出强度（E、F）表征。
细胞毒性、活死染色、细胞迁移以及粘附实验的结果都证明iCSP-Scr具有良好的生物相容性（图4）。成骨关键酶ALP的定性和定量检测，以及对骨髓间充质干细胞和肌腱来源细胞的成骨相关基因（ALP、OCN、Runx2和Col1）和蛋白表达的检测，均证明iCSP-Scr能促进成骨分化和细胞外基质合成，具有促进肌腱在细胞水平转化为骨的可能（图5）。
图4. iCSP-Scr的细胞相容性表征：降解产物对间充质干细胞（BMSC，A）和肌腱来源细胞（TDC，B）的细胞毒性，BMSC的细胞增殖（C、D）和细胞迁移（E、F）结果及细胞在交联后的iCSP-Scr上面的铺展。
图5. 通过间充质干细胞（BMSC）和肌腱来源细胞（TDC）充分验证了iCSP-Scr的促成骨性能。
然后，我们在新西兰兔ACL重建模型中进一步验证了iCSP-Scr的体内腱骨固定能力及促进腱骨愈合的能力。用于动物腱骨固定的3mm直径钛（Ti）螺钉被用作参照。CT和病理染色结果（图6，A-R）均证明：钛螺钉空腔内未发现新生骨，而iCSP-Scr通过材料降解释放空间，同时提供成骨的生物活性成分（柠檬酸盐，PC和HAp），从而通过良好的骨诱导能力促进骨隧道内新骨向内生长，增强骨与iCSP-Scr的机械锁合，最终获得更有效的肌腱固定（图6，S）。术后14周，与钛螺钉（3mm直径，93.76 ± 17.89N）相比，在iCSP-Scr组中，肌腱移植物从骨隧道的拔出力更强（106.15 ± 23.15N），甚至略高于钛螺钉组。
图6. 新西兰兔ACL重建结果：micro-CT图像（A-H）及骨密度（Q）和骨体积（R）结果，硬组织切片染色（I-P）及14周后的生物力学（肌腱拔出强度）结果（S）。
总之，针对传统的腱骨固定策略存在的应力集中、过度挤压肌腱、模量不匹配以及固定不良导致的横向摆动和纵向伸长的缺点，本研究巧妙利用含异氰酸酯（-NCO）末端的反应型聚氨酯的湿固化性能及二氧化碳生成特性以及肌腱和骨隧道之间存在的不完全密闭空间，受拔河运动多人抓握绳索、均匀发力启发而开发的可注射柠檬酸基生物活性自膨胀面性固定螺钉（iCSP-Scr）提供了一种新颖的腱骨固定范式。避免了通过螺钉“点状”挤压肌腱（会导致应力集中、过度压缩、力分布不均匀，最终肌腱破裂），而是通过物理膨胀、机械锁合和化学键合综合作用获得更好的腱骨固定。iCSP-Scr表现出良好的生物相容性和生物降解性，可以释放柠檬酸盐、PC和HAp等促成骨成分，能够促进成骨。在新西兰兔ACL重建模型中，ACL重建后14周，iCSP-Scr组肌腱移植物从骨隧道中的拔出力（106.15 ± 23.15N）甚至略高于Ti螺钉组（93.76 ± 17.89N）。总的来说，生物活性iCSP-Scr提供了一种新颖的、改变游戏规则的腱骨固定方式，有助于ACL重建，并且可以扩展到其他骨科应用场景。这种临床需求与材料特性相匹配的材料设计策略也将激发更多再生医学和其他领域的材料创新。
02
第一作者
陶美含：中国医科大学医学博士，南方医科大学第三附属医院博士后，主要从事生物医用材料、组织工程等交叉领域研究。近年来，在国际著名期刊Bioactive Materials、Acta Biomaterialia等发表论文 10余篇，主持博后基金1项。
通讯作者
郭金山：中国科学院长春应用化学研究所研究员、博士生导师，中科院“百人计划”和“广东特支计划”青年拔尖人才，原南方医科大学基础医学院教授。博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，导师为陈学思院士和黄宇彬研究员。博士毕业后先后在美国德克萨斯大学阿灵顿分校、宾夕法尼亚州立大学和哈佛大学从事研究工作。2019年6月以“高层次人才”入职南方医科大学任教授、博士生导师，2024年3月回到中国科学院工作。致力于生物医用材料和皮肤与骨组织再生修复研究，取得了一系列创新研究成果和突出的成果转化成绩。在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Bioactive Materials等杂志共发表SCI论文60余篇，拥有中、美和国际专利40余项。荣获广东省科技进步一等奖、华夏医学科技三等奖等多项荣誉，入选2021年JMCB全球新锐科学家。
课题组网站：http://bio-materials.com.cn。
杨健：西湖大学生物材料及再生工程讲席教授，生物医学工程学科主任，校长助理；加入西湖大学前任美国宾州州立大学生物医学工程系Dorothy Foehr Huck and J. Lloyd Huck再生工程讲席教授，专长于可降解生物材料的开发研究及应用，尤其是在其首创的基于柠檬酸化学与生物学的生物材料的开发理论与应用研究领域卓有建树，杨教授开发的新型柠檬酸可降解材料是目前世界上唯一已经在美国食品及药物管理局（FDA）批准的医疗植入器械上大量应用的可降解热固性合成高分子材料。杨教授担任生物材料领域顶刊“Bioactive Materials”的共同主编，"Science Advances"的副主编。
蔡道章：南方医科大学第三附属医院关节外科主任，原院长，国务院特殊津贴专家、博士生导师、"国之名医卓越建树奖"获得者，全国卫生计生系统先进工作者，广东省医学领军人才，享受国务院政府特殊津贴。蔡道章教授长期围绕骨关节炎及运动损伤的发病机制和早期防治，进行相关的临床和基础研究，主持科技部863计划1项，独立承担国家自然科学基金面上项目3项，广东省科技计划重大项目3项，以及省、部级科研项目10余项。相关研究结果先后发表在Ann Rheum Dis、Bone Research、Osteoarthritis Cartilage、Mol Ther、J Bone Miner Res等国际著名期刊上。
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该研究获 广东特支计划青年拔尖人才项目（0620220207）、国家自然科学基金 (U21A2099、82272453、82102545)、中国博士后基金 (2022M721515) 和广州市基础与应用基础研究项目(202201011774) 以及广东省骨与软骨退行性疾病重点实验室开放项目的支持。
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Meihan Tao, Zhou Fang, Yuting Zhu, Yan Ju, Zhiguo Hou, Meimei Fu, Zhihui Lu, Daozhang Cai*, Jian Yang*, Jinshan Guo*. Injectable citrate-based polyurethane-urea as a tug-of-war-inspired bioactive self-expansive and planar-fixing screw augmented bone-tendon healing. Bioactive Materials, 41 (2024) 108-126. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2024.07.004
Bioactive Materials 创建于2016年，自2019年被SCIE检索收录以来影响因子实现跳跃式增长（IF 2019: 8.724；IF 2020: 14.593；IF 2021: 16.874；IF 2022:18.9; IF 2023: 18）；JCR materials science, biomaterials 领域国际排名连续四年第一。此外， 2020年到2023年连续四年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表一区，Top期刊；入选材料科学综合类高质量科技期刊分级目录T1区。
