华南理工大学任力教授团队《Adv. Sci.》：3D打印曲率角膜调控角膜上皮细胞行为，促进角膜修复进程

2023-02-21 来源：高分子科技

目前传统的人工角膜存在与组织边缘对合不齐，上皮化困难，上皮易脱落等问题，这是因为它们大多考虑的是成分的仿生，而忽略了角膜结构的仿生，结构决定功能，一个好的角膜修复材料需兼具成分与结构的仿生。普通的制备手段很难对患者的角膜曲率结构进行个性化定制，而3D打印可以很好的解决这个问题。且角膜曲率对组织功能的正常发挥有重要作用，如圆锥角膜的发生会导致上皮细胞异常，因此研究如何构建曲率角膜修复材料和研究细胞在曲率环境中的生长行为对角膜修复有重要作用。

近期，华南理工大学任力教授团队采用胶原和可光交联的甲基丙烯酰化明胶（GelMA）水凝胶，通过温控3D打印技术制备具有曲率结构的光滑表面角膜修复材料（图1），用于促进角膜基质再生和角膜功能恢复。由于具有微纳尺寸拓扑结构的表面可以引导细胞行为的改变，如细胞分化和排列，组织中许多曲率结构对发挥组织正常功能必不可少。但是具有毫米级尺寸的曲率是否对细胞有调控作用，并能否进一步促进角膜修复仍未可知。天然角膜上角膜上皮细胞的分布和黏附也存在差异，这对上皮功能的维持至关重要。因此作者通过将角膜上皮细胞接种在仿生角膜的不同区域，并与平面结构对比，以此观察打印角膜是否具有与天然角膜类似的功能。研究发现，当角膜曲率在一定正常范围内，曲面比平面更能促进细胞的定向排列和黏附，在曲面上有更高的黏附相关基因和蛋白的表达。进一步地，通过观察在曲率角膜的上皮细胞行为，发现上皮细胞在坡度更陡的区域能有更定向的细胞排列和更高黏附标记物的表达（图2-3）。作者还对黏附行为开展了信号通路分析，结果表明曲率可以通过调节integrin β，FAK，vinculin等细胞信号蛋白来调控上皮细胞的形状和黏附（图7）。力学模拟实验表明细胞在曲面上会受到更大的剪切应力，其定向排列和黏附能力更强（图4）。作者随后在兔角膜缺损模型开展了打印曲率角膜的测试实验，结果表明曲率角膜在短期内能促进上皮黏附（图5），使得修复更快速和牢固，其长期修复效果较对照组均有明显的提升（图6），为角膜修复材料的设计提供了新思路。这一曲率角膜促进角膜再生修复及其机理迄今为止是首次发现。该工作以“Biomimetic Convex Implant for Corneal Regeneration Through 3D Printing”为题发表在《Advanced Science》上，论文第一作者为华南理工大学博士研究生徐颖妮，通讯作者为华南理工大学任力教授，共同通讯作者为浙江大学季葆华教授、华南理工大学宋文婧副教授和中山大学眼科中心袁进教授。
本研究针对目前人工角膜与组织边缘对合不齐，上皮化困难，上皮易脱落等难题，通过3D打印技术构建具有光滑表面的曲率角膜，突破了3D打印人工角膜易产生“台阶效应”的限制。所制备的曲率角膜可诱导细胞排列，促进上皮细胞黏附，加快角膜再上皮化进程（3天）和基质、神经再生，具有巨大的临床价值和前景。是团队近期关于角膜再生修复材料的最新进展之一，近年来，团队一直致力于开发出适合临床使用的角膜再生修复材料，在无缝线缝合角膜材料(Acta Biomaterialia, 2022, DOI:10,1016/j.actbio.2022.09.049)，Micro RNA治疗角膜上皮缺损(Bioactive Materials, 2022, Doi:10.1016/j.bioactmat.2022.07.011)，高效率交联剂、双交联网络提升材料力学性能(International Journal of Biological Macromolecules, 2021, Doi:10.1016/j.ijbiomac.2021.09.144; Acs Applied Polymer Materials, 2022, DOI:10.1021/acsapm.2c00472)等方面做出重大突破，有效解决了目前人工角膜不耐缝合、易溶解等问题，极大推动了角膜领域的发展，为角膜盲患者重见光明带来希望，增进人民福祉。

图1 3D打印角膜制备工艺优化图及角膜实物图，温度是影响打印表面是否出现“台阶效应”的关键

图2 曲率角膜具有调控RCECs细胞取向排列形态的功能，细胞倾向于沿着曲率经线方向生长，且坡度的增加会使得细胞更加细长和对齐

图3 曲率角膜能提高RCECs的黏附能力，促进细胞核收缩和染色质凝缩，与黏附和核相关的基因均比平面组高表达,在黏附蛋白表达方面曲率角膜也具有优势

图4 有限元分析曲率角膜不同坡度上RCECs的受力状态，坡度越陡的地方，细胞受到的剪切力越大，与角膜基底的牵引力越大，即细胞取向和极化程度增加，黏附力增大

图5 曲率角膜在动物体内的有效性验证，能够促进角膜上皮化进程（<3天），与组织边缘对合更紧密，在结构方面比平面膜更有优势

图6 曲率角膜长期在体促进角膜基质和神经修复图。通过长达180天的观察，曲率角膜组基质再生能力强，角膜厚度恢复，角膜透明，神经再生，而对照组修复效果不理想，说明3D打印曲率角膜具有临床应用的前景

图7 曲率角膜调控RCECs行为的机制图，曲率通过整合素（integrin-based）信号通路增强细胞黏附

该研究得到了国家自然科学基金项目(52173123,11932017)，国家重点研发计划项目(2017YFC1105000)，广东省重点领域研发计划项目(2020B1111150002和2019B010941002)，广东省科技计划项目(2021A1515010878)，广州市重点研发计划项目(202206010160)，生物岛实验室前沿研究项目(广州再生医学与健康实验室，2018GZR110105008)，中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

全文下载链接：http://doi.org/10.1002/advs.202205878

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻