基于超聲技術的關節用水凝膠制備與應用

摘 要：制備殼聚糖基水凝膠用于關節損傷治療，為進一步檢測關節修復診斷效果，使用高頻超聲檢測關節修復。通過高頻超聲檢查1 248個位置，包括858個手關節和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、關節滲出、肌腱炎和腱鞘水腫。研究結果表明，殼聚糖基水凝膠表面及內部具有較好的孔隙結構，方便吸收體液，并進一步促進骨關節損傷修復，且高頻超聲可檢測出肌腱鞘水腫，有效檢測和診斷關節修復狀況。研究結果可為關節修復診斷檢測提供參考。

關鍵詞：超聲技術；關節用膠；診斷檢測；水凝膠

中圖分類號：

TQ427.2+6

文獻標志碼：

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

骨關節炎被認為是一種退行性關節疾病，是最常見的關節損傷類型，其特征會逐漸影響軟骨穩定性、滑膜完整性和骨骼結構，導致慢性疼痛和殘疾［1］。因此，骨關節炎修復的早期診斷和治療對改善關節的損傷非常重要［2］。目前已有不同關節的修復方法正在出現，即通過關節內注射給藥［3］。藥物可以將關節損傷影響降到最低，并進一步降低關節炎復發［4］。殼聚糖基水凝膠因其生物相容性、漸進降解性、無毒、生物活性、抗炎作用和抗菌活性而被認為是修復關節的理想材料［5］。已有多項研究表明，殼聚糖基水凝膠具有軟骨保護功能［6］。在以前的研究中，證實超聲檢查是可行的，并且能夠預測關節疾病［7］;超聲能夠檢測到骨侵蝕［8］。基于此，需進一步研究高頻超聲檢測殼聚糖基水凝膠在早期修復關節的效果。

1 實驗方案

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酸-甲醛的原位交聯合成，將質量濃度7.5%的N-殼聚糖和質量濃度7.5%的己二酸二酰肼溶解在去離子水中。然后將質量濃度5%的透明質酸-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個關節，包括雙側腕關節、以及手關節的矢狀面和冠狀面。所有患者都進行了腕關節、MCP關節、近端指間關節（PIP）的評估，以確定是否存在關節積液（由可壓縮的無回聲囊內區域定義）、骨侵蝕（由關節區域的骨皮質斷裂定義）和滑膜增生（腕關節的厚度大于2 mm，MIP和PIP關節的厚度大于1 mm，并有低回聲定義）。

1.3 水凝膠內部形態觀察

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

為進一步突出殼聚糖基水凝膠在骨關節損傷治療的優勢，將殼聚糖基水凝膠與普通水凝膠進行對比，其化學結構通過傅里葉變換紅外儀進行研究，掃描分辨率為4 cm-1，用于記錄室溫下的紅外光譜。

1.5 統計分析

研究共納入2022年1月至12月在我院診斷為早期骨關節炎的39名患者，20名男性和19名女性，平均年齡50.2歲。骨關節炎的診斷基于我國風濕病學會的分類標準判定，出現骨關節炎癥狀超過24個月的患者被排除在研究之外。患者發病時的年齡為（51.8±2.2）歲，平均病程（8.8±2.5）個月。數據分析采用SPSS 16.0版軟件。

2 結果與分析

2.1 殼聚糖基水凝膠形貌

為了研究制備的水凝膠實際親水性質，用SEM觀察其表面和內部形態，結果 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，可以形成皮膚層用于治療骨關節損傷。從圖1（b）可看到水凝膠內部整齊而均勻的孔隙結構；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格狀的橫截面孔，孔徑為25 μm，細胞壁彎曲，且部分孔徑為圓形，孔徑為19 μm。同時所有的水凝膠都具有開放的孔隙結構，方便吸收體液，可進一步促進骨關節損傷修復。

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處顯示了一個較強的拉伸峰，這是由于水凝膠中的CN和酰胺區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節損傷時，沒有N—H等離子對骨關節消炎。而殼聚糖基水凝膠的N—H峰在3 350 cm-1處減弱，進一步證實殼聚糖基水凝膠在治療骨關節損傷中消耗了氨基。且氨基、焦糖醇基團和亞胺基團的存在能使殼聚糖基水凝膠具有良好的抗菌能力，抑制骨關節發炎。

2.3 高頻超聲診斷效果

表1為高頻超聲診斷結果。共有858個關節被高頻超聲掃描，用于檢測骨侵蝕、骨髓水腫、滑膜增生和關節積液，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，高頻超聲沒有發現有統計學意義的敏感度（Pgt;0.05）。高頻超聲在滑膜增生和關節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，但該數值較小，進一步反應了殼聚糖基水凝膠可有效降低關節水腫，加速關節修復［9-13］。

2.4 殼聚糖基水凝膠在關節修復中的應用

腫瘤壞死因子（TNF-α）作為與關節炎相關的重要細胞因子，在促進滑膜細胞增殖、增強其他促炎性細胞因子表達方面起著至關重要的作用［14］。TNF-α可以誘導炎癥細胞因子的表達，如IL-1β和IL-6，并促進白細胞遷移［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，滑液中TNF-α的表達水平被明顯抑制。同時，在2周和12周，注射殼聚糖基水凝膠的關節炎滑液中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節修復中炎癥的狀況。IL-1β在關節修復過程中明顯上升，誘導軟骨分解，減少其代謝［16］，增強趨化因子的表達，促進軟骨細胞的凋亡。IL-6在膝關節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。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，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的表達水平下降，但下降速度緩慢。

3 結語

高頻超聲可以有效檢測早期關節損傷患者的骨侵蝕、肌腱炎和腱鞘水腫，以評估殼聚糖基水凝膠在關節修復中的效果。殼聚糖水凝膠的N—H峰在3 350 cm-1處減弱，進一步證實殼聚糖水凝膠在治療骨關節損傷中消耗了氨基，同時使用殼聚糖基水凝膠可有效降低關節修復過程中的炎癥，加快關節修復效果，且殼聚糖水凝膠可以抑制腫瘤壞死因子，加速關節修復效果。

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