《Polysaccharides》：Biophysicochemical Design of a Dual-Function Hydrogel for Synergistic Shock-Absorption and Anti-Inflammatory Action for TMD Therapy
Diego Garcia Miranda,
Lucas de Paula Ramos,
Pyetra Claro de Camargo,
Nicole Fernanda dos Santos Lopes,
Thalita Sani-Taiariol,
Mauricio Ribeiro Baldan,
Cristina Pacheco-Soares,
Bruno Henrique Godoi,
Kerstin Gritsch and
Alexandre Luiz Souto Borges
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针对颞下颌关节紊乱症（TMD）治疗中需同时解决关节机械摩擦与局部炎症的难题，研究人员成功合成并表征了一种结合透明质酸（HA）与氢化可的松（Hyd）的双功能水凝胶。体外研究表明，3% HA 与 0.250% Hyd 的组合在经历灭菌和热循环后，能保持最佳的粘弹性稳定性、细胞相容性和低遗传毒性，为开发兼具关节润滑与抗炎双重功效的新型TMD关节内疗法提供了有前景的候选材料。
吃饭、说话、打哈欠……这些日常动作都离不开我们下巴的灵活运动。然而，全球约有6%至12%的人群，尤其是20至40岁的女性，正经受着一种名为颞下颌关节紊乱症（Temporomandibular Disorders, TMD）的困扰。这种疾病不仅是导致慢性非牙源性口面部疼痛的首要原因，其带来的咀嚼肌疼痛、关节弹响、张口受限等症状，还严重影响患者的生活质量、社会功能甚至心理健康。TMD的病理生理机制复杂，但普遍认为关节腔内滑液的粘弹性下降导致机械摩擦增加，以及伴随的局部免疫炎症反应，是加剧关节软骨退变和疼痛的两个核心问题。
目前，TMD的临床管理策略主要依赖于全身性药物（如非甾体抗炎药、皮质类固醇）和对症治疗。对于顽固性病例，临床上会采用关节腔灌洗联合关节内注射透明质酸（Hyaluronic Acid, HA）的粘弹性补充疗法。前者旨在清除促炎细胞因子，后者则是通过补充HA来恢复滑液的润滑和减震功能。然而，这两种治疗策略通常是分开进行的，无法在关节腔内实现持续的力学保护与抗炎作用的协同。那么，能否开发一种一体化治疗方案，将HA的机械润滑优势与抗炎药物的持续释放结合起来，从而“一石二鸟”地应对TMD的挑战呢？
带着这个设想，Diego Garcia Miranda等人的研究团队在期刊《Polysaccharides》上发表了一项开创性研究。他们旨在设计并合成一种具有双重功能的水凝胶，其骨架是提供润滑和减震的透明质酸，内部则负载了经典的抗炎药物氢化可的松（Hydrocortisone, Hyd）。这种设计理念是，当水凝胶注入颞下颌关节腔后，HA能够立即发挥其粘弹性介质的力学保护作用，减少关节面摩擦；同时，负载的Hyd能够从凝胶中缓慢、持续地释放，作用于关节滑膜组织，抑制局部炎症反应，从而协同治疗TMD的生物力学和炎症成分。
为了验证这一设想，研究人员首先制备了以3% HA为基质，并分别负载0.125%、0.250%、0.500%和1%浓度Hyd的一系列水凝胶。随后，他们系统性地对这些水凝胶的物理化学性质和生物学性能进行了全面评估，以筛选出在机械性能、生物安全性和潜在疗效之间达到最佳平衡的配方。
研究人员在材料表征方面主要运用了四项关键技术。首先，他们通过傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）分析了凝胶的化学结构和药物相互作用。其次，利用热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）评估了凝胶的热稳定性。第三，通过流变学测试（包括频率扫描、振幅扫描和温度扫描）详细测定了凝胶的粘弹性行为，这是评价其关节内力学功能的核心。最后，利用场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM）观察了凝胶冻干后的微观多孔结构。在生物学评价方面，研究遵循了经济合作与发展组织（Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD）的指南，通过细胞活性（Resazurin法）和遗传毒性（微核试验）测试，评估了水凝胶对小鼠巨噬细胞（RAW 264.7细胞系）的细胞相容性与遗传物质损伤风险，并利用共聚焦显微镜（Confocal microscopy）观察了细胞死活形态。
3.1. 衰减全反射-傅里叶变换红外光谱
FTIR分析证实，在制备的水凝胶中，HA和Hyd的特征吸收峰共存，但未出现新的共价键吸收峰。这表明两种成分主要通过非共价相互作用（如氢键）物理混合，各自的药物结构得以完整保留。这种分子稳定性对于确保后续的药物缓释和药效至关重要。
3.2. 热重分析
TGA结果显示，纯HA在30-100°C有明显的吸附水损失，并在200-300°C区间发生显著热降解。而纯Hydrocortisone表现出更高的热稳定性，直到200°C后才开始缓慢降解。值得注意的是，HA-Hydrocortisone混合凝胶在低温下的失重（35-40%）比纯HA更明显，表明Hydrocortisone的加入可能增强了凝胶网络的持水能力。此外，混合凝胶在200-300°C区间的降解速率比纯HA更慢，且在400°C时剩余质量（约58-60%）介于纯HA（40-45%）和纯Hydrocortisone（60-65%）之间，表明Hydrocortisone的加入对HA的热降解起到了某种稳定作用。
3.3. 流变学分析
流变学测试是本研究评估凝胶机械性能的关键。频率扫描和振幅扫描结果均表明，所有HA凝胶（无论是否含Hyd）均表现出典型的固体状粘弹性行为，即储能模量（G′）显著大于损耗模量（G″）。然而，Hydrocortisone的加入产生了“塑化效应”，即随着Hyd浓度增加，凝胶的初始弹性模量（G′）呈剂量依赖性降低。高温灭菌（高压灭菌）过程对所有凝胶的机械结构都造成了显著热降解，导致G′值明显下降。但一个重要的发现是，含有Hydrocortisone（特别是0.500%和1%浓度）的凝胶，在灭菌后能更好地保持其粘弹性，显示出Hydrocortisone对HA网络在热应力下的保护作用。温度扫描也表明，含有更高浓度Hydrocortisone的凝胶在15-40°C的温度范围内表现出更稳定的热力学行为。
3.4. 场发射扫描电子显微镜
SEM图像显示，所有凝胶（包括纯HA和含不同浓度Hyd的凝胶）冻干后均呈现均匀的多孔、海绵状三维网络结构。不同配方之间在形貌上未见显著差异，这表明Hydrocortisone在HA基质中实现了良好的分散，没有破坏HA的基本骨架结构。
3.5. 刃天青法细胞活性测定
细胞活性测试（遵循OECD 129指南）显示，纯HA凝胶具有优异的生物相容性，细胞活性达86.7%。含有Hydrocortisone的水凝胶，在0.125%至1%的所有测试浓度下，细胞活性均高于70%的非细胞毒性阈值。有趣的是，在0.250%、0.500%和1%的浓度下，细胞活性甚至超过了100%（最高达121.4%），而单独的1% Hydrocortisone溶液活性高达148.5%。这提示Hydrocortisone在特定浓度下可能通过激活糖皮质激素受体，抑制细胞凋亡并刺激巨噬细胞的代谢活性。
3.6. 微核试验
遗传毒性测试（遵循OECD 487指南）结果则揭示了不同的一面。纯HA和阴性对照组一样，仅诱导产生2个微核（每2000个细胞），表明其遗传安全性。然而，Hydrocortisone的加入表现出剂量依赖性的遗传毒性风险。HA+Hydrocortisone凝胶在0.125%、0.250%、0.500%和1%浓度下，分别诱导产生了4、11、14和17个微核。单独的1% Hydrocortisone溶液诱导了22个微核，甚至超过了阳性对照物EMS（29个微核）。这表明，当Hydrocortisone浓度≥0.250%时，遗传毒性风险显著增加。
3.7. 共聚焦分析
共聚焦显微镜的Live/Dead染色结果直观地验证了上述发现。纯HA组（B）和对照组（A）显示出高比例的活细胞（绿色）。而单独的1% Hydrocortisone（C）表现出强烈的细胞毒性（大量红色死细胞）。在复合凝胶中，随着Hydrocortisone浓度从0.125%（D）增加到1%（G），视野中死细胞（红色）的比例也相应增加，呈现出明确的剂量依赖性细胞毒性。
基于以上系统性的结果，研究人员在讨论部分进行了深入的分析和总结。FTIR和TGA结果共同证实，Hydrocortisone的加入并未与HA发生有害的化学反应，而是通过物理相互作用形成了稳定的复合体系，且Hydrocortisone在一定程度上增强了凝胶的热稳定性。流变学数据揭示了一个关键的平衡：尽管Hydrocortisone本身会略微降低HA凝胶的初始弹性，但它能有效保护HA网络在高压灭菌等严苛处理过程中的结构完整性，这对于实现临床产品的无菌化至关重要。
然而，生物学测试结果将安全性的考量推到了前台。虽然细胞活性测试显示所有配方均“合格”（>70%），但高浓度Hydrocortisone（≥0.500%）下细胞活性的异常升高可能反映了细胞应激状态。更为重要的是，微核试验清晰地划定了安全边界：当Hydrocortisone浓度≥0.250%时，遗传毒性风险急剧升高，超过了临床可接受的范围。共聚焦图像也同步显示，高浓度Hydrocortisone导致了显著的细胞死亡。
综合所有数据，研究人员得出了明确的结论：在测试的所有配方中，3% HA 与 0.250% Hydrocortisone组合的水凝胶提供了最佳的平衡。它既能在灭菌后保持良好的粘弹性（满足关节内的力学功能需求），又展现了可接受的细胞相容性（细胞活性95.3%）和相对最低的遗传毒性风险（11个微核），同时确保了足量的抗炎药物负载。浓度更高的配方（如0.500%和1%）虽然力学保护性更佳，但其显著的遗传毒性和细胞毒性使其临床应用前景黯淡。而浓度更低的配方（0.125%）则在抗炎效力和对HA的热保护作用上可能不足。
因此，这项研究成功地设计并筛选出一种具有应用潜力的双功能水凝胶候选材料。它不仅为TMD治疗提供了一种将机械润滑与药物缓释相结合的新思路，更重要的是，通过严谨的理化与生物学表征，明确了有效性与安全性之间的最佳浓度窗口。这项工作的意义在于，它将材料科学、药剂学和口腔医学的需求紧密结合，为后续的动物模型实验和最终的临床转化研究奠定了坚实的体外基础。当然，如作者所指出的，本研究也存在一些局限性，例如缺乏对水凝胶在体内酶解或机械应力下行为的评估，以及未直接验证其抗炎效果，这些都为未来的研究指明了方向。
