光磁成像可视化智能调控型水凝胶体系的构建及其软骨组织工程修复多模态影像学研究

Tissue engineering technology has shown great prospect of clinical application for cartilage repair and treatment. It will reveal the mechanism of tissue engineering cartilage repair to regulate and identify the role of seed cells, biological activity factor and tissue engineering materials in the repair of cartilage lesion by real-time dynamic monitoring. This project will expand molecular imaging technology to the research of tissue engineering and focus on the tracking and monitoring of visible hydrogel systems with the functions of magnetic-optical multimodality imaging for cartilage repair as tissue engineering materials. Double network hydrogels were prepared with gelatin acrylate and gadolinium porphyrin conjugated polyethylene glycol-polycaprolactone polymer. The smart hydrogel system with visualized multi-modality imaging capability is intelligently regulated to meet the requirement of the on-demand release of bioactive factors and cell growth by photothermal effect or photo-crosslinked reaction. The combined imaging of multispectral fluorescence imaging, bioluminescent imaging, magnetic resonance imaging are applied to investigate the function for carrier and the degradation process of tissue engineering material, in vivo distribution transplantation, proliferation of seed cell, the release of bioactive factors as well as tissue engineering cartilage repair mechanisms. The safe, effective and noninvasive tracking and monitoring will reveal the mechanism of tissue engineering cartilage repair and guide the design of the tissue engineering system for cartilage repair.

组织工程技术在软骨组织修复中展现了巨大的临床应用前景，有效调控和监控种子细胞、生物活性因子及组织工程材料在软骨缺损再生修复中所扮演的角色，对组织工程材料及修复过程与效果进行实时动态监测，将能深入揭示组织工程软骨修复机制。本项目将分子影像技术拓展到组织工程研究领域，提出了光磁多模态成像可视化智能调控型水凝胶体系，以明胶丙烯酸酯和钆卟啉聚乙二醇聚己内酯聚合物制备双网络水凝胶，通过光热/光交联方法双向调节水凝胶在体结构，对生物活性因子释放及细胞生长等按需调控，并对结合生物活性因子、骨髓干细胞的软骨组织工程修复体系进行影像监控，综合荧光成像、生物发光、核磁成像等多种分子影像方法，对组织工程材料的载体作用及降解过程、种子细胞移植的体内分布、增殖及归巢过程、生物活性因子释放及软骨修复作用机制等进行安全、有效、无创追踪和监测，为组织工程研究提供了一种新方法，并对组织工程体系的设计提供有效指导。

组织工程生物材料在组织修复中展现了巨大的临床应用前景，有效调控和监控种子细胞、生物活性药物及组织工程材料在组织再生修复中所扮演的角色，对组织工程材料及修复过程与效果进行实时动态监测，将能深入揭示组织工程修复机制。本项目将分子影像技术拓展到组织工程生物材料研究领域，将分子影像、生物材料与组织修复相结合，完成了光磁成像可视化水凝胶组织工程材料的构建、性能优化及评价。通过光磁成像水凝胶体系的研究，跟踪了水凝胶在体材料的在体及降解过程，开发了组织工程材料光磁双模态成像研究的新方法，建立了在体实时跟踪组织工程材料可视化评价的新方法。完成了水凝胶体系负载活细胞的在体评价及功能验证，开展了水凝胶载药系统的释放，实时监控水凝胶与细胞、药物分子相互作用，体外评价生物活性因子释放及活性评价，多光谱成像研究了生物活性因子释放及其与材料的相互关系，以及光磁纳米粒标记细胞的体内外评价等，开展了光磁双模成像可视化水凝胶负载细胞的体内外研究。完成了组织工程材料软骨修复的初步评价，开展了材料降解影像跟踪及体内生物相容性评价，水凝胶体系用于组织工程修复的体内外研究，以及其影像学评价研究，初步探索了其关键作用机制。项目执行期间在国外重要学术期刊发表影响因子大于5的SCI学术论文12篇，申请发明专利4项，获得授权发明专利1项，培养学术骨干2人，研究生4人，顺利完成了项目计划研究任务。