一种生物活性聚氨酯粘合剂为半月板撕裂修复提供了界面力学生化信号

《Acta Biomaterialia》：A Bioactive Polyurethane Adhesive Delivers Interfacial Mechano-Biochemical Cues for Meniscus Tear Repair

　　摘要
半月板修复通常受到较差的自身愈合能力、不利的氧化-炎症微环境以及撕裂界面处机械连续性不足的限制。在此，我们开发了一种无溶剂的注射型聚氨酯粘合剂（PUA@CTGF），其结合了连接组织生长因子（CTGF），用于半月板撕裂的修复。该粘合剂具有快速湿润界面稳定化、柔顺的缺陷填充和持久的CTGF释放特性。实验表明，PUA@CTGF在体内能够迅速固化，具有较高的初始湿润 lap-shear 强度，并在100次循环加载-卸载测试中表现出稳定的短期压缩性能。体外实验中，PUA@CTGF减少了与氧化应激相关的线粒体损伤，调节了巨噬细胞相关的炎症标志物，从而有利于修复过程；同时，在循环拉伸刺激下，它促进了半月板细胞的迁移并增强了纤维软骨基质的合成。在兔子的半月板外血管区撕裂模型中，PUA@CTGF改善了修复区域的连续性、基质沉积和拉伸性能，并减轻了早期关节退行性变化，尽管在12周的观察期内半月板的天然拉伸性能并未完全恢复。转录组分析发现了与机械转导相关的特征，抑制剂支持的体外实验结果表明，GsMTx4可以减弱动态加载引起的Ca2+和YAP反应，支持GsMTx4对机械转导的敏感性。这些发现表明PUA@CTGF是一种适用于湿润、机械活跃的半月板修复界面的生物活性聚氨酯粘合剂平台。

意义声明
半月板撕裂难以愈合，因为受伤的界面处于湿润状态、具有机械活性且生物环境恶劣。本研究介绍了一种无溶剂的注射型聚氨酯粘合剂，它能快速稳定湿润的半月板撕裂，并局部释放连接组织生长因子。通过结合儿茶酚辅助的湿润粘附、柔顺的缺陷填充、短周期能量耗散、活性氧缓冲和持久的CTGF释放，该粘合剂实现了界面稳定和微环境的调节。体外和兔子实验显示，该粘合剂增强了细胞迁移和基质相关反应，改善了修复区域的连续性和拉伸性能，并减轻了早期关节退行性变化。这项工作通过将湿润界面稳定与局部生化释放相结合，推进了生物材料的设计，适用于修复机械活跃、承重的软组织界面。

引言
半月板在膝关节中起着关键的生物力学缓冲作用，能够分散负荷并保持关节结构的完整性[1]。其修复能力高度依赖于不同的区域：外围的血管化红-红区具有有限的内源性愈合潜力，中间的红-白区仅部分具备修复能力，而内部的白-白区则几乎无血管化、细胞密度低且营养供应受限，导致自发性愈合能力非常差[2]。尽管如此，由于半月板具有致密的细胞外基质、低细胞密度和有限的营养供应，其愈合过程受到很大限制，未愈合的撕裂容易发展为创伤后骨关节炎（OA）[3]。临床实践中，对于适当选择的可修复半月板撕裂，关节镜缝合是一种标准的治疗方法，尤其是对于外围血管化或红-白区。然而，缝合处可能因机械不匹配和应力集中而导致修复部位张开、再次撕裂和组织整合不完全，特别是在复杂的撕裂模式或修复能力较差的区域[4]。因此，部分半月板切除仍然是一种常见的但只能缓解症状的选择，这不可避免地会加速关节退化[5]。因此，开发一种既能改善结构对位又能提供有利于半月板修复的微环境的治疗策略，在运动医学和骨科领域仍是一个重大挑战。

新兴的组织粘合剂作为缝合线的替代方案引起了关注，它们具有实现形态匹配的缺陷填充、湿润界面稳定和微创输送的潜力[6]。尽管最近基于贻贝化学和水凝胶的进展实现了强大的湿润粘附性能，但大多数现有粘合剂主要作为被动密封剂使用[7],[8],[9]。然而，许多现有粘合剂并未直接解决由氧化应激和慢性炎症引起的恶劣病理微环境问题，这些因素会破坏线粒体稳态并持续促进分解代谢[10,11]。更重要的是，半月板纤维软骨细胞（MFCs）对机械刺激非常敏感；撕裂间隙中的机械张力丧失会中断维持其表型所需的物理信号传导[12,13]。传统粘合剂由于受到静态力学或模量不匹配的限制，很少能重新建立这种机械相关的细胞-材料界面，从而仅提供结构对位而无法充分恢复与负荷相关的生物学信号[14]。此外，一些高强湿润粘合剂系统依赖于有机溶剂、高反应性的化学物质或相对刚性的交联网络，这可能引发关于细胞相容性、柔顺性匹配和转化可行性的担忧[15],[16],[17]。因此，开发一种无溶剂、坚韧且生物活性强的粘合剂以实现可靠的粘附和加速组织修复变得十分紧迫。

有效的半月板修复可能需要超越单纯的被动粘附，采用结合界面稳定和微环境调节的粘合系统。我们假设成功的修复需要结合机械-生物化学策略：(i) 减轻氧化应激以保护线粒体功能；(ii) 提供支持负荷相关细胞反应的界面桥梁。在此研究中，选择连接组织生长因子（CTGF）作为生物活性信号分子，因为它在细胞募集、细胞外基质重塑和纤维软骨相关基质合成中发挥作用。先前的研究表明，CTGF可以刺激关节软骨细胞的增殖和蛋白多糖的合成，并增加II型胶原和聚集蛋白等与软骨相关的基质基因的表达，对基质稳态具有依赖性影响[18,19]。这些发现与半月板修复的两个主要限制相关：修复细胞募集不足和纤维软骨基质沉积不足[20]。机械敏感的离子通道和下游的机械转导途径越来越被认为是半月板细胞对动态负荷反应的重要介质[21]。然而，目前尚不清楚生物活性粘合剂是否能够在纤维软骨样修复过程中支持细胞外机械信号与细胞内转录反应（包括Hippo/Yes-Associated Protein (YAP) 相关信号）之间的耦合。

本文报告了一种可注射的生物活性聚氨酯-尿素复合粘合剂（PUA@CTGF），旨在用于湿润的半月板撕裂界面，通过结合湿润界面稳定和持久的CTGF释放来实现这一目标。该粘合剂结合了基于PEG/PCL/LDI的赖氨酸衍生物两亲性聚氨酯网络和儿茶酚结构，其中聚乙二醇（PEG）段促进界面水化管理和湿润，聚己内酯（PCL）段有助于限制膨胀，而聚（聚氨酯-尿素）网络则提供了 Cohesive 能量耗散。这种设计使得快速湿润粘附、柔顺的缺陷填充和内在的活性氧缓冲成为可能。通过改善撕裂间隙中的界面连续性，PUA@CTGF 可以为动态刺激下的细胞反应提供机械支持。结合持久的局部 CTGF 释放，该平台旨在支持细胞募集、纤维软骨相关基质的形成以及在更有利的生物化学和机械微环境中的修复。在受控的兔子半月板外血管区撕裂模型中，PUA@CTGF 在12周的观察期内改善了组织整合并减轻了类似OA的退行性变化。本研究提出了一种生物活性聚氨酯复合粘合剂策略，用于湿润、承重的软组织修复，将复合网络设计、湿润界面稳定、微环境调节和机械转导相关的生物反应联系起来（图1）。

材料
聚乙二醇（PEG，分子量=1450）和聚己内酯（PCL，分子量=1000）分别从Dow Chemical和Daicel Corporation购买。合成前，这两种聚合物在95-100°C下真空干燥2小时以去除微量水分。L-赖氨酸二异氰酸酯（LDI）来自南通大红化工，使用前通过真空重蒸馏进行纯化。有机铋催化剂和三乙醇胺（TEA）由The Shepherd提供。

理性设计与物理化学表征
为了满足半月板修复的机械和生物学要求，我们设计了一种含有儿茶酚的双组分聚氨酯粘合剂PUA@CTGF（图1A）。组分A由含有PEG、PCL和赖氨酸衍生物LDI的NCO-terminated 两亲性预聚物组成，组分B则包含 dopamine-接枝的赖氨酸衍生物LDA和L3DA，这些衍生物可伴或不伴重组CTGF-GST（表S1）。混合后，组分B中的伯胺与末端异氰酸酯发生反应。

结论
总之，我们开发了一种无溶剂的生物活性聚氨酯粘合剂（PUA@CTGF），适用于湿润、机械活跃的半月板撕裂界面，它结合了快速湿润界面稳定、持久的CTGF释放和机械柔顺的粘合剂基质。体外实验表明，PUA@CTGF减少了与氧化应激相关的损伤，调节了炎症标志物，特别是在动态负荷下增强了纤维软骨基质的合成。在本研究中，我们证实了该粘合剂的有效性。

原创性与先前发表
我们确认本手稿是原创的，尚未在其他期刊上发表，也没有被其他期刊考虑。

利益冲突
作者声明没有利益冲突。

人类受试者
本研究不涉及人类受试者。

动物福利
所有动物实验均严格遵循机构指南，并得到了四川省West China医院动物伦理委员会的批准。

在本文的编写过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）进行语言编辑、翻译以及提升手稿的清晰度和组织结构。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对最终发表的文章内容负全责。

资助
中国国家自然科学基金（项目编号82172508、82372490、52473138、52433015）、四川省科技计划（项目编号2024NSFJQ0041）、四川省科技计划（项目编号2026NSFSC0371）、国家重点研发计划（项目编号2023YFC2411304、2023YFC2411300）、四川大学“135”优势学科项目（项目编号ZYJC21030）。

伦理声明
本研究遵循ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南，并得到了四川大学West China医院动物伦理委员会的批准（批准编号20230728121）。

作者贡献
F. Luo, WL. Fu, H. Tan 预想了研究设计；XL. Yang, L. Yang, SJ. Gao 开发了实验方法；XL. Yang, L. Yang, SJ. Gao, Y. Zhou, Z. Xu, JQ. Li, JH. Li 实施了实验；XL. Yang, L. Yang 草拟了论文；F. Luo, WL. Fu, H. Tan 监督了整项工作。所有作者均参与了手稿的审阅和编辑。

作者贡献声明
Xiaolong Yang：写作 - 原始草稿、可视化、方法学、实验设计；Lin Yang：写作 - 原始草稿、方法学、实验设计；Shiji Gao：写作 - 原始草稿、方法学、实验设计；Yi Zhou：实验设计；Zhe Xu：实验设计；Junqiao Li：实验设计；Jiehua Li：实验设计；Hong Tan：资金获取、概念构思；Feng Luo：写作 - 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思；Weili Fu：写作 - 审稿与编辑。