康奈尔大学马明林团队《AM》：开发出双性离子材料修饰的聚氨酯封装器件用于1型糖尿病治疗学术资讯

1型糖尿病是一种自体免疫性疾病，患者自身的免疫系统会攻击那些分泌胰岛素的细胞并摧毁他们而导致胰岛素分泌量不足，血糖失控。细胞治疗是治疗1型糖尿病的有效策略之一，通过移植外源性的胰岛细胞让患者摆脱对外源胰岛素的依赖。然而如何长时间保持外源性细胞的活性和功能性同时防止宿主免疫系统的攻击，仍是一个巨大的挑战。细胞封装技术是将外源性的胰岛细胞包埋在保护性生物器件中，允许营养物质和氧气的自由进出，同时防止外源性细胞被免疫细胞的攻击，解决了细胞治疗领域的多个问题。

目前应用最广泛的细胞封装器件就是在外源性的胰岛细胞上覆盖一层微米级的海藻酸盐水凝胶，形成微包囊。这种微包囊通常有良好的生物相容性和物质交换能力，但是机械强度比较弱，在外力作用下很容易断裂。另一类细胞封装器件为大包囊装置，主要是由生物惰性的材料（例如聚氨酯和聚四氟乙烯）构成的。这类装置有较好的机械性能，但是生物相容性较差，容易引起较强的异物反应，从而在装置表面形成厚厚的纤维层，导致器件内的细胞因缺少营养和氧气而导致的损坏和死亡。

为解决以上问题，康乃尔大学马明林教授团队在Advanced Materials 上在线表了题目为 A Zwitterionic Polyurethane Nanoporous Device with Low Foreign-Body Response for Islet Encapsulation 研究论文（第一作者为刘庆生和王茜博士）。该研究合成了一种新型的两性离子修饰的聚氨酯，通过电纺丝技术制备了一种生物相容性优异的纳米纤维细胞封装器件，可以长时间保持植入胰岛细胞的活性和功能性。

具体来说，该研究首先合成了一组双性离子修饰的聚氨酯材料。由于双性离子材料优良的抗吸附能力和亲水性，从而提高聚氨酯的生物相容性和亲水性。然后通过电纺丝技术制备了纳米纤维装置（如图1）. 该装置表面是双性离子修饰的聚氨酯纳米纤维膜 (ZPU membrane)，有较好的力学性能，能够保障在体内装置的完整性；其多孔结构和亲水表面有利于物质的交换；其微小膜孔径可以阻止受体免疫细胞的侵入同时避免植入外源细胞的泄露。而基于海藻酸盐水凝胶为内核成胶容易，对细胞的性能影响小以及提供一定程度的免疫隔离作用。

图1. 细胞封装器件示意图

研究者评估了装置在小鼠体内的生物相容性。组织切片图（2a）表明，即使在植入半年后，只有很薄的纤维层包裹在双性离子修饰的装置上，免疫反应较弱同时没有组织粘连。相反没有双性离子修饰的装置表面覆盖了厚厚的纤维层，部分装置发生了严重的组织粘连。该装置在实验狗和猪腹腔内同意表现出良好的生物相容性（2b），可以容易完整地取出。同时装置能保护胰岛细胞在免疫功能健全的糖尿病小鼠中存活90天同时能恢复正常血糖 (2c) 。这项技术同时解决了细胞治疗存在的多种问题，例如安全性，生物相容性，物质交换等，证明了临床应用的潜力。