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14年磨一剑,从一篇文章发展为一颗骨钉,消炎抗菌,促进骨生长并且完全可降解,2021开卖

高分子科学前沿

 作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

做实验、话英雄

每个科研人在初期都有着将科研成果产业化的美好愿想,但随着研究的深入,越来越多的问题暴露出来,我们终于承认,产业化是一块无比难啃的硬骨头。好在,总有科研学者不忘初心,深钻产业化道路上的种种难题,为普通人的生命和 生活带来极大改善。Guillermo A. Ameer 教授就是这样一位学者。他带领他的团队花费了14年时间,终于将2006年发表在Biomaterials上的科研成果转化为产品 “Citregen”——基于柠檬酸盐的合成可降解生物材料,以及基于该材料的固定螺钉“Citrelock”——并获得美国食品和药物管理局的许可。

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Guillermo A. Ameer 教授

Ameer是美国西北大学McCormick工程学院的Daniel Hale Williams教授,研究方向包括生物材料,组织工程,再生工程,生物医学设备的增材制造,控制药物输送和生物/纳米技术等。先后在世界顶级期刊发表高水平论文250余篇,H因子指数45(Google)。Ameer领导的团队是柠檬酸基生物材料开发和医学应用的先驱,目前这些材料已被世界各地数百名研究人员用于各种生物工程应用。

14年磨一剑,从一篇文章到一个产品

“坚持”总是说起来简单,做起来很难。在经受重重挫折后,你能坚持几年?

14年不算短暂,14年坚持研究同一个项目的毅力也不得不让人佩服。西北大学的Guillermo A. Ameer 教授就坚持了14年,终于在科研产业化的道路上迈出了一大步,推出第一个产品“Citregen”,由Acuitive Technologies, Inc.生产和销售。

(一)2006年用于骨科植入物的柠檬酸基复合材料问世

2006年,Guillermo A. Ameer 教授团队发明了一种热固性生物可降解合成聚合物聚(1,8-辛二醇-柠檬酸盐)-生物陶瓷羟基磷灰石 (POC–HA),商品名称为“Citregen”。相关论文以“A citric acid-based hydroxyapatite composite for orthopedic implants”为题,发表在《Biomaterials》。第一作者为:Qiu Hongjin。

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我们知道传统的金属植入物如果不能及时取出反而会给生命健康造成更大的危害。小编身边就有一个案例,患者由于腰椎受伤,在打了骨钉后的第五年,骨钉脱落原来的位置从而压迫神经,疼痛不已。来医院取这些骨钉却发现有一根骨钉已经跟嵌入脊柱,医生不敢取出。即使是二次手术也没能完全解决这一问题,而这颗“遗落”的骨钉又不知会在什么时候带来什么严重的后果。由此可见,可降解植入材料不仅可以避免二次手术的生理和心理上的痛苦,还能有效解决传统金属材料带来的一系列问题。基于聚乳酸的可降解材料已经在市场中有一定的占比,但是有时候他们的降解周期长达5年,并且不能完全“融入”骨组织中。因此,Guillermo A. Ameer 团队选择降解周期更短(几个月至一年)的弹性体聚(18-辛二醇-柠檬酸盐)作为骨架材料。但这种单一的可降解弹性体机械性能较差,不足与骨相匹配,因此,Guillermo A. Ameer 团队向其中引入生物陶瓷羟基磷灰石,增强弹性体的机械性能并赋予其骨传导性。同时,弹性体也缓解了羟基磷灰石的脆性强,易断裂和难以加工成型的问题。

(二)“Citregen”的优异性能

作为一种医用植入材料,安全性和生物相容性是一切性能的前提。Citregen的主要成分柠檬酸盐具有天然的抗菌和抗炎作用,可以有效保证其安全性和生物相容性。实验表明,人原代成骨细胞在Citregen上有较好的黏附性能,且植入到兔股骨软骨缺损模型中,Citregen与周围的骨组织密切接触也不会诱导慢性炎症反应。而传统的骨钉在缓慢的降解过程中会在患者体内引发大量慢性炎症。

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作为植入材料,其密度,物理性能等都需要与骨组织相匹配。Citregen的弯曲强度、压缩强度、抗拉强度和剪切强度分别在在34 ~ 41、32 ~ 75、6 ~ 10、 23 ~ 28 MPa,弯曲、压缩和拉伸模量分别为0.275 ~ 0.502、0.19 ~ 0.45、0.02 ~ 0.34 GPa,并不逊色于传统的植入材料。并且,改变复合材料中羟基磷灰石的含量以及反应条件就可以对Citregen的物理性能进行调节,以适用于不同的骨组织。

不仅如此,当生物陶瓷羟基磷灰石的含量在40 ~ 65 wt.%范围内时,种植体还可诱导磷酸钙矿物沉积在其表面。Citregen中的羟基磷灰石会被整合到骨组织中,而在种植体表面矿化形成的磷酸钙能够重塑骨组织,修复骨缺损等,改善体内骨结合。Citregen中的弹性体在降解过程中会释放对细胞和邻近组织新陈代谢非常重要的柠檬酸。柠檬酸不仅具有抗炎抗菌的作用,还能促进细胞成为骨细胞,加速骨骼以及肌腱与关节、韧带与骨骼之间连接的再生过程。当Citregen中的弹性体被完全降解后,羟基磷灰石和磷酸钙还可助于填充弹性体降解后留下的空隙或孔隙。

由此可见,Citregen不仅能有有效缓解传统植入物的炎症问题,还能加快骨修复过程,并且能在体内有效降解,避免二次手术的风险。

(三)“Citregen”的产业化及技术优势

2020年10月22日,Acuictive Technologies公司宣布,它已经获得美国食品和药物管理局(FDA)510(k)许可,可以销售采用Citrgen材料技术制成的Citrelock固定螺钉。

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Citreloc固定螺钉

Guillermo Ameer教授说:“柠檬酸盐材料基于一种前所未有的创新生物可吸收生物材料技术,旨在支持人体正常的愈合过程,促进组织再生。”

相比较于昂贵的聚乳酸骨钉(按克卖,比黄金都贵),基于柠檬酸盐和羟基磷灰石的材料制备简单,价格低廉,性能优异,有望成为未来骨钉的主力军。

Acuitive Technologies公司的执行合伙人Michael McCarthy表示: “Citreloc 固定螺钉获FDA批准是Acuitive公司的一个重要里程碑。这是我们众多产品线中第一款获准在美国商业化的生物材料。”

西北大学高级再生工程中心创始主任、生物医学工程和外科学教授Daniel Hale Williams表示这款螺钉用于组装韧带、血管、膀胱和骨骼等组织重建的设备时,结果令人印象深刻,超出了预期。

此外,Citrgen的独特性允许创新的植入物设计,在植入过程中保护软组织移植物,并随时间增加拔出强度。Citrelock螺钉既可用于重复使用的手术器械,也可以用于一次性器械,可满足不同尺寸的手术器械使用要求。

Acutive将于2021年初与整形外科分销合作伙伴将Citrelock螺钉系统进行商业化销售。

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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