基于超聲技術(shù)的關(guān)節(jié)用水凝膠制備與應(yīng)用

摘 要：制備殼聚糖基水凝膠用于關(guān)節(jié)損傷治療，為進(jìn)一步檢測關(guān)節(jié)修復(fù)診斷效果，使用高頻超聲檢測關(guān)節(jié)修復(fù)。通過高頻超聲檢查1 248個位置，包括858個手關(guān)節(jié)和390個肌腱，以評估殼聚糖基水凝膠治療效果及是否存在骨侵蝕、骨髓水腫、滑膜增生、關(guān)節(jié)滲出、肌腱炎和腱鞘水腫。研究結(jié)果表明，殼聚糖基水凝膠表面及內(nèi)部具有較好的孔隙結(jié)構(gòu)，方便吸收體液，并進(jìn)一步促進(jìn)骨關(guān)節(jié)損傷修復(fù)，且高頻超聲可檢測出肌腱鞘水腫，有效檢測和診斷關(guān)節(jié)修復(fù)狀況。研究結(jié)果可為關(guān)節(jié)修復(fù)診斷檢測提供參考。

關(guān)鍵詞：超聲技術(shù)；關(guān)節(jié)用膠；診斷檢測；水凝膠

中圖分類號：

TQ427.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0058-03

Preparation and application of" hydrogel for joints based on ultrasonic technology

ZHOU Xinping

（The Second People’s Hospital of Xining，Xining 810000，China）

Abstract：Chitosan based hydrogels were prepared for the treatment of joint injuries.To further test the diagnostic effect of joint repair，high-frequency ultrasound was used to detect joint repair.Through high frequency ultrasound examination of 1 248 positions，including 858 hand joints and 390 tendons，the treatment effect of chitosan-based hydrogel and the presence of bone erosion，bone marrow edema，synovial hyperplasia，joint effusion，tendinitis and tendon sheath edema were evaluated.The results showed that the surface and interior of chitosan-based hydrogel had good pore structure，which was convenient for absorbing body fluid and further promoting the repair of bone and joint injuries，and high-frequency ultrasound could detect edema in the tendon sheath，effectively detecting and diagnosing joint repair status.The research results can provide reference for the diagnosis and detection of joint repair.

Key words：ultrasound;gel for joint;diagnostic testing;hydrogel

骨關(guān)節(jié)炎被認(rèn)為是一種退行性關(guān)節(jié)疾病，是最常見的關(guān)節(jié)損傷類型，其特征會逐漸影響軟骨穩(wěn)定性、滑膜完整性和骨骼結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致慢性疼痛和殘疾［1］。因此，骨關(guān)節(jié)炎修復(fù)的早期診斷和治療對改善關(guān)節(jié)的損傷非常重要［2］。目前已有不同關(guān)節(jié)的修復(fù)方法正在出現(xiàn)，即通過關(guān)節(jié)內(nèi)注射給藥［3］。藥物可以將關(guān)節(jié)損傷影響降到最低，并進(jìn)一步降低關(guān)節(jié)炎復(fù)發(fā)［4］。殼聚糖基水凝膠因其生物相容性、漸進(jìn)降解性、無毒、生物活性、抗炎作用和抗菌活性而被認(rèn)為是修復(fù)關(guān)節(jié)的理想材料［5］。已有多項(xiàng)研究表明，殼聚糖基水凝膠具有軟骨保護(hù)功能［6］。在以前的研究中，證實(shí)超聲檢查是可行的，并且能夠預(yù)測關(guān)節(jié)疾病［7］;超聲能夠檢測到骨侵蝕［8］。基于此，需進(jìn)一步研究高頻超聲檢測殼聚糖基水凝膠在早期修復(fù)關(guān)節(jié)的效果。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 殼聚糖基水凝膠的制備

殼聚糖基水凝膠通過N-殼聚糖、己二酸二酰肼和透明質(zhì)酸-甲醛的原位交聯(lián)合成，將質(zhì)量濃度7.5%的N-殼聚糖和質(zhì)量濃度7.5%的己二酸二酰肼溶解在去離子水中。然后將質(zhì)量濃度5%的透明質(zhì)酸-甲醛的溶液加入上述混合物中，通過亞胺和酰基腙鍵的作用形成水凝膠，溶液交聯(lián)約20 s，制備成殼聚糖基水凝膠。

1.2 高頻超聲

高頻超聲診斷使用美國診斷儀LOGIQ-10進(jìn)行，該高頻超聲配備12-MHz的線性陣列探頭。共掃描了1 248個關(guān)節(jié)，包括雙側(cè)腕關(guān)節(jié)、以及手關(guān)節(jié)的矢狀面和冠狀面。所有患者都進(jìn)行了腕關(guān)節(jié)、MCP關(guān)節(jié)、近端指間關(guān)節(jié)（PIP）的評估，以確定是否存在關(guān)節(jié)積液（由可壓縮的無回聲囊內(nèi)區(qū)域定義）、骨侵蝕（由關(guān)節(jié)區(qū)域的骨皮質(zhì)斷裂定義）和滑膜增生（腕關(guān)節(jié)的厚度大于2 mm，MIP和PIP關(guān)節(jié)的厚度大于1 mm，并有低回聲定義）。

1.3 水凝膠內(nèi)部形態(tài)觀察

將水凝膠浸泡在20 ℃的去離子水中，直到其完全膨脹，然后在-40 ℃冷凍過夜，再進(jìn)行凍干處理。然后用掃描電子顯微鏡觀察水凝膠試樣的表面積和橫截面積。

1.4 水凝膠紅外光譜分析

為進(jìn)一步突出殼聚糖基水凝膠在骨關(guān)節(jié)損傷治療的優(yōu)勢，將殼聚糖基水凝膠與普通水凝膠進(jìn)行對比，其化學(xué)結(jié)構(gòu)通過傅里葉變換紅外儀進(jìn)行研究，掃描分辨率為4 cm-1，用于記錄室溫下的紅外光譜。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

研究共納入2022年1月至12月在我院診斷為早期骨關(guān)節(jié)炎的39名患者，20名男性和19名女性，平均年齡50.2歲。骨關(guān)節(jié)炎的診斷基于我國風(fēng)濕病學(xué)會的分類標(biāo)準(zhǔn)判定，出現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎癥狀超過24個月的患者被排除在研究之外。患者發(fā)病時(shí)的年齡為（51.8±2.2）歲，平均病程（8.8±2.5）個月。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 16.0版軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 殼聚糖基水凝膠形貌

為了研究制備的水凝膠實(shí)際親水性質(zhì)，用SEM觀察其表面和內(nèi)部形態(tài)，結(jié)果 如圖1所示。

從圖1（a）可觀察到水凝膠的表面非常致密，沒有任何孔隙，這主要是由于水凝膠的高度親水性質(zhì)，可以形成皮膚層用于治療骨關(guān)節(jié)損傷。從圖1（b）可看到水凝膠內(nèi)部整齊而均勻的孔隙結(jié)構(gòu)；然而，水凝膠的孔隙大小和形狀有很大的差異，可以觀察出水凝膠具有網(wǎng)格狀的橫截面孔，孔徑為25 μm，細(xì)胞壁彎曲，且部分孔徑為圓形，孔徑為19 μm。同時(shí)所有的水凝膠都具有開放的孔隙結(jié)構(gòu)，方便吸收體液，可進(jìn)一步促進(jìn)骨關(guān)節(jié)損傷修復(fù)。

2.2 殼聚糖基水凝膠物理表征

通過FTIR光譜對殼聚糖基水凝膠與普通水凝膠進(jìn)行表征，如圖2所示。

由圖2可知，殼聚糖水凝膠在3 350 cm-1處顯示有O—H、N—H拉伸峰，在2 870 cm-1處顯示一個C—H拉伸峰，在1 645 cm-1處顯示一個殼聚糖酰胺I區(qū)拉伸峰（乙酰基的CO拉伸峰），在1 590 cm-1處顯示一個酰胺II區(qū)振動峰（一個N—H彎曲峰和一個C—N拉伸峰），以及在1 070 cm-1和1 020 cm-1的C—O拉伸振動峰。而普通水凝膠光譜在1610 cm-1處顯示了一個較強(qiáng)的拉伸峰，這是由于水凝膠中的CN和酰胺區(qū)振動峰的疊加造成的。且還觀察到一個1 510 cm-1的拉伸峰，這是由焦果醇上的羥基引起的。而普通水凝膠并沒有顯示O—H、N—H和C—H拉伸峰，表明普通水凝膠在治療骨關(guān)節(jié)損傷時(shí)，沒有N—H等離子對骨關(guān)節(jié)消炎。而殼聚糖基水凝膠的N—H峰在3 350 cm-1處減弱，進(jìn)一步證實(shí)殼聚糖基水凝膠在治療骨關(guān)節(jié)損傷中消耗了氨基。且氨基、焦糖醇基團(tuán)和亞胺基團(tuán)的存在能使殼聚糖基水凝膠具有良好的抗菌能力，抑制骨關(guān)節(jié)發(fā)炎。

2.3 高頻超聲診斷效果

表1為高頻超聲診斷結(jié)果。共有858個關(guān)節(jié)被高頻超聲掃描，用于檢測骨侵蝕、骨髓水腫、滑膜增生和關(guān)節(jié)積液，而其他390條肌腱被用于評估肌腱炎和腱鞘水腫。在骨侵蝕、肌腱炎和腱鞘水腫方面，高頻超聲沒有發(fā)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的敏感度（Pgt;0.05）。高頻超聲在滑膜增生和關(guān)節(jié)積液方面有明顯的差異（Plt;0.05）。且高頻超聲可檢測出肌腱鞘水腫，但該數(shù)值較小，進(jìn)一步反應(yīng)了殼聚糖基水凝膠可有效降低關(guān)節(jié)水腫，加速關(guān)節(jié)修復(fù)［9-13］。

2.4 殼聚糖基水凝膠在關(guān)節(jié)修復(fù)中的應(yīng)用

腫瘤壞死因子（TNF-α）作為與關(guān)節(jié)炎相關(guān)的重要細(xì)胞因子，在促進(jìn)滑膜細(xì)胞增殖、增強(qiáng)其他促炎性細(xì)胞因子表達(dá)方面起著至關(guān)重要的作用［14］。TNF-α可以誘導(dǎo)炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)，如IL-1β和IL-6，并促進(jìn)白細(xì)胞遷移［15］。在研究中，使用殼聚糖基水凝膠與未處理組相比，使用殼聚糖水凝膠在2周和12周時(shí)，滑液中TNF-α的表達(dá)水平被明顯抑制。同時(shí)，在2周和12周，注射殼聚糖基水凝膠的關(guān)節(jié)炎滑液中TNF-α也低于未處理組（如圖3（a））。此外，IL-1β、IL-6和IL-17也被檢測出來以評估關(guān)節(jié)修復(fù)中炎癥的狀況。IL-1β在關(guān)節(jié)修復(fù)過程中明顯上升，誘導(dǎo)軟骨分解，減少其代謝［16］，增強(qiáng)趨化因子的表達(dá)，促進(jìn)軟骨細(xì)胞的凋亡。IL-6在膝關(guān)節(jié)的炎癥和退化中起作用，并引起軟骨代謝紊亂［17］，抑制膠原蛋白的表達(dá)。在殼聚糖基水凝膠注射后2周，滑液中IL-1β（如圖3（b））、IL-6（如圖3（c））和IL-17（如圖3（d））的表達(dá)被明顯抑制，但這種抑制效果在長期觀察（注射后12周）中與未處理組相比沒有明顯差異。然而，與未處理組相比，水凝膠處理后2周和12周，滑膜液中IL-1β（如圖3（b））、IL-6（如圖3（c））和IL-17（如圖3（d））的水平被明顯抑制。同時(shí)，與殼聚糖水凝膠組相比，水凝膠組在注射后12周的滑膜液中也觀察到IL-1β和IL-6的表達(dá)水平下降，但下降速度緩慢。

3 結(jié)語

高頻超聲可以有效檢測早期關(guān)節(jié)損傷患者的骨侵蝕、肌腱炎和腱鞘水腫，以評估殼聚糖基水凝膠在關(guān)節(jié)修復(fù)中的效果。殼聚糖水凝膠的N—H峰在3 350 cm-1處減弱，進(jìn)一步證實(shí)殼聚糖水凝膠在治療骨關(guān)節(jié)損傷中消耗了氨基，同時(shí)使用殼聚糖基水凝膠可有效降低關(guān)節(jié)修復(fù)過程中的炎癥，加快關(guān)節(jié)修復(fù)效果，且殼聚糖水凝膠可以抑制腫瘤壞死因子，加速關(guān)節(jié)修復(fù)效果。

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