仿生哑铃形水凝胶塞用于纤维环修复：从材料设计到体内验证的创新研究

针对椎间盘切除术中纤维环(AF)缺损导致的高再突出率(2-25%)，上海交通大学团队创新开发了基于甲基丙烯酸酯化透明质酸(HAMA)和四臂聚乙二醇(PEGNB)的哑铃形水凝胶塞。通过有限元(FE)优化几何参数(半径2.25mm/厚度1.5mm/曲率20-30°)，该植入物在体外展现出7.61 MPa压缩模量、68.76%断裂伸长率和281.21 J/m2韧性，山羊模型证实其压缩强度(4996.3N)显著优于缝合修复组(2917.9N)，为微创脊柱手术提供了突破性解决方案。

　　

椎间盘突出是全球患病率达9.4%的退行性疾病，传统椎间盘切除术虽能缓解症状，却会在纤维环(annulus fibrosus, AF)留下医源性缺损，导致2-25%的再突出率，尤其当缺损直径超过6mm时，术后效果不佳比例高达48%。现有AF修复方法各存局限：单纯缝合难以恢复生物力学强度，生物胶粘剂易引发不良反应，而环形闭合装置(ACD)又存在终板骨吸收风险。更棘手的是，常规水凝胶在复杂力学环境中常因机械强度不足或降解过快失效。

针对这一临床难题，上海交通大学的研究团队独辟蹊径，从材料革新和结构设计双管齐下，开发出具有仿生软-硬界面微结构的哑铃形水凝胶塞。这项发表在《Journal of Orthopaedic Translation》的研究，通过甲基丙烯酸酯化透明质酸(HAMA)与四臂聚乙二醇(PEGNB)的光交联复合，创造出压缩模量达7.61 MPa、断裂伸长率68.76%的强化水凝胶。更巧妙的是，团队利用冻干-水合特性实现微创植入——脱水状态便于手术操作，遇体液膨胀后完美封闭缺损。有限元分析精确优化出最佳几何参数(内球端半径2.25mm/厚度1.5mm/曲率20-30°)，使植入物在10,000次循环载荷后仍保持稳定。山羊模型实验显示，植入4周后水凝胶组的椎间盘高度维持最佳，免疫荧光显示其显著提升聚集蛋白聚糖(Aggrecan)和III型胶原表达，同时降低基质金属蛋白酶13(MMP-13)和巨噬细胞标记物F4/80，证实该设计兼具力学修复与抗炎促再生双重优势。

研究采用多学科交叉技术路线：通过扫描电镜(SEM)表征材料分级孔结构；采用Instron测试系统完成压缩/拉伸力学评估；建立L3-L4节段有限元模型优化植入物几何参数；运用3D打印(M-Bio Pro 30)制备原型；最终在45kg山羊模型中对比缺损组、缝合修复组与 hydrogel 植入组的修复效果，通过MRI和组织学分析评估。

关键发现包括：

1. 材料特性：水凝胶10分钟达到溶胀平衡，表面降解模式与组织愈合同步，皮下植入8周质量保留率>98%，CCK-8检测细胞存活率达96.78%。
2. 力学优化：内球端半径增至缺损150%时，AF应力降低21.7%；厚度1.5mm设计使椎间盘压力恢复至完整状态的89.3%。
3. 动物实验：水凝胶组终极压缩强度(4996.3N)较缝合组提高71.2%，Pfirrmann分级显示其 degeneration 程度显著轻于缝合组(2级 vs 3-4级)。
4. 生物相容性：植入8周后CD68⁺巨噬细胞密度较聚乙烯对照组降低37.5%，血管生成标志CD31⁺表达增加2.1倍。

讨论部分指出，该研究的突破性在于：首次将哑铃形几何锁固原理应用于AF修复，通过内外球端的锚定效应防止移位；创新的非贯通孔结构使压缩强度达天然AF的120%；降解产物细胞毒性测试显示活力达94%，远超ISO 10993-5标准的70%阈值。相较于Chiang等报道的MPSS缝合技术，本研究的 hydrogel 植入使力学性能提升71%，且免疫组化显示转化生长因子-β(TGF-β)表达上调，提示可能激活内源性修复通路。

尽管存在观察周期较短(8周)、山羊模型NP腔与人体的解剖差异等局限，但该研究为临床AF修复提供了全新思路：既可避免ACD的金属植入物相关并发症，又克服了传统水凝胶力学性能不足的缺陷。未来通过开发精确定位工具解决33%的植入物移位率后，这种"植入即密封"的智能水凝胶有望成为微创脊柱手术的标准配置，从根本上改变目前AF缺损修复缺乏有效产品的现状。