本研究由 Farshad Oveissi、Natasha E. Lean、Simin Maleknia 等多位研究者合作完成。主要研究机构包括 The University of Sydney 的 School of Chemical and Biomolecular Engineering（化学与生物分子工程学院）、The University of Queensland 的 School of Veterinary Science（兽医学院）与 School of Biomedical Science（生物医学学院）、The University of Western Australia 的 Centre for Microscopy, Characterisation and Analysis（显微、表征与分析中心）、University of Pennsylvania 的 School of Veterinary Medicine（兽医学院）以及澳大利亚生物技术公司 Tetratherix Technology。通讯作者为 Ali Fathi。该论文发表于 ACS Biomaterials Science & Engineering 期刊，2026 年第 12 卷第 7 期，页码 3692−3705，DOI 为 10.1021/acsbiomaterials.6c00646，并采用 CC-BY-NC-ND 4.0 许可协议发布。
腰椎间盘突出是导致下背痛的重要原因之一，相关的直接医疗支出在美国、英国和澳大利亚分别高达约 1345 亿美元、197.7 亿英镑和 34 亿澳元。对于保守治疗无效的椎间盘突出患者，微创椎间盘切除术（microdiscectomy）是最常用的外科干预手段，成功率约为 70%–95%。然而，由于纤维环（annulus fibrosus, AF）的自愈能力极为有限，术后约有 5%–25% 的患者会经历椎间盘再突出（reherniation）。再突出往往需要更为复杂的翻修手术，给患者带来额外的痛苦和风险。
针对这一问题，既往研究尝试了多种物理封堵装置，如 Xclose、Inclose 和 Barricaid 等。然而，这些基于缝线、聚合物网片和骨锚钉的装置存在机械强度不足、植入物松动、不可降解性以及与脊神经接触引起严重疼痛等并发症，最终未能成为理想的解决方案。近年来，可注射水凝胶的研究主要集中在髓核（nucleus pulposus, NP）的替代或再生方面，但由于椎间盘区域的乏血管特性和许多水凝胶技术成熟度较低，其在临床上的应用面临较大挑战。
本研究提出了一个全新的概念：使用一种可注射、适度黏附且可降解的温度响应性水凝胶作为物理屏障，在微创椎间盘切除术后直接封堵纤维环缺损，以阻止髓核的进一步突出，从而降低再突出风险。研究团队利用其先前开发的“组织无差别”水凝胶平台（tissue-agonistic hydrogel platform, TX），旨在验证该水凝胶在模拟生理载荷下的力学稳定性、在离体模型中封堵纤维环缺损的有效性，以及在活体绵羊模型中促进缺损修复和减少炎症反应的安全性与功效。
本研究的实验流程可分为四个主要阶段：水凝胶的制备与表征、力学性能测试、离体牛尾椎模型评估以及活体绵羊模型评价。
第一阶段：TX 水凝胶的制备与化学表征。
TX 水凝胶由合成聚合物 PNPHO——即聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-聚乳酸/甲基丙烯酸羟乙酯-co-寡聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯-co-N-丙烯酰氧基琥珀酰亚胺）——和合成多肽胸腺肽 β4（thymosin-β4, Tβ4）组成。PNPHO 通过自由基聚合合成，单体摩尔比为 81:7:7:5，聚合温度为 70 °C，反应时间 18 小时。随后将 PNPHO 与 Tβ4 偶联形成 TX，最终产品中 PNPHO 浓度为 280 mg/mL，Tβ4 浓度为 60 mg/mL。TX 溶液经 25–40 kGy 的伽马射线辐照灭菌，达到无菌保证水平（SAL）10⁻⁶。通过 ¹H 核磁共振（NMR）谱对 TX 中的聚合物和多肽含量进行定量分析，并利用二维 NOESY 谱和 1D-NOESY 实验确证了 PNPHO 与 Tβ4 之间存在分子间相互作用，尤其是 Tβ4 的胺基（−NH₂）质子与 PNPHO 聚合物信号之间的近距离接触。
第二阶段：力学性能评估。
在 37 °C 条件下，对完全溶胀的 TX 水凝胶圆盘样品进行了无侧限单轴压缩测试，应变速率分别为 1、10 和 100 mm/min（对应 0.006、0.045 和 0.3 s⁻¹），以覆盖准静态至高速冲击的应变速率范围。同时通过光学法直接测量了泊松比（Poisson’s ratio），施加的应变速率为 5% s⁻¹。此外，还进行了逐级递增应变的循环加载-卸载压缩试验（应变增量 10%）以及在临床相关应变范围（5% 至 20%）内的 10 次连续循环压缩试验。最后，使用流变仪探针黏附测试（probe tack test）测量了 TX 水凝胶的黏附应力，以评估其与纤维环组织的黏合力。
第三阶段：离体牛尾椎模型评估。
从牛尾椎中分离 30 个运动节段（motion segments），经影像学检查确认无明显退变后，在纤维环外侧制造直径 2 mm 的全层穿刺缺损，并移除约 20% 的髓核组织。将不同体积（50、100 和 200 μL）的 TX 水凝胶注射到缺损处，在 37–38 °C 下孵育 10 分钟使其凝胶化，随后将节段置于定制液压装置中，分别施加 0、0.5 和 1 kN 的压缩载荷并保持 5 秒，测量水凝胶的挤出体积和缺损填充百分比。
第四阶段：活体绵羊模型评价。
采用 6 只成年绵羊，在全身麻醉下经腹膜后入路暴露腰椎，在 L1–L2、L2–L3、L3–L4、L4–L5 和 L5–L6 五个节段的纤维环上制造 3 mm 直径的缺损并施行微创椎间盘切除术。各节段随机分为 TX 治疗组（2 个节段）、空白对照组（sham，2 个节段）和未手术健康对照组（1 个节段）。在 5 周和 10 周两个时间点处死动物，收集腰椎节段进行组织学分析。切片经阿尔新蓝（Alcian Blue）染色、苏木精-伊红（H&E）染色和偏振天狼星红（Picrosirius Red）染色，由盲法认证病理学家对缺损面积百分比、退变程度、软骨球（chondrone）严重程度和炎症反应进行半定量评分。
TX 水凝胶的化学组成验证结果显示，标准生产样品中 PNPHO 的实测浓度为 21.6 ± 0.3 wt%，Tβ4 为 4.2 ± 0.1 wt%，与标称值高度一致。NOESY 谱中观察到 Tβ4 与 PNPHO 混合后出现新的独特交叉峰，特别是在 δ 7.3 ppm（Tβ4 的 −NH₂ 信号）和 δ 2.6 ppm（PNPHO 信号）之间的接触，证实了多肽与聚合物之间存在非共价的紧密相互作用。这些化学特征为 TX 水凝胶后续的力学性能和生物学性能提供了物质基础。
力学测试结果表明，TX 水凝胶在三种应变速率下均表现出典型的黏弹性行为，能够承受超过原始长度 50% 的压缩变形而不破裂。在 0.006 和 0.045 s⁻¹ 应变速率下，压缩模量约为 90 kPa，差异无统计学意义；当应变速率提高到 0.3 s⁻¹ 时，模量显著升高至 110 ± 11 kPa。压缩强度在所有应变速率下均约为 400 kPa，但最高应变速率下的屈服应变显著降低。泊松比测定为 0.437，略低于完全不可压缩极限，表明 TX 水凝胶在变形时具有轻微的体积变化能力，能够在机械稳定性和水保留能力之间取得平衡。循环加载-卸载试验显示，在 45% 应变以内，TX 水凝胶表现出完全可恢复的弹性行为；当应变超过 55% 时，塑性变形开始累积；在 65% 应变时发生最终破坏。在 5%–20% 的临床相关应变范围内进行的 10 次连续循环压缩测试中，加载-卸载曲线高度重叠，表明材料具有良好的抗疲劳性能。探针黏附测试测得 TX280 的黏附应力为 11.27 ± 0.70 kPa，属于适度黏附水平，既能保证水凝胶在纤维环缺损处保持定位，又避免了对周围组织的过度损伤。
离体牛尾椎实验结果对临床转化至关重要。在 50、100 和 200 μL 三个注射体积中，随着体积增加，缺损填充百分比从约 20% 提高到约 80%。然而，200 μL 组在 1 kN 载荷下的挤出体积是 50 和 100 μL 组的近三倍，提示注射量过大可能导致水凝胶从缺损处过度突出，压迫邻近的脊神经。100 μL 组在填充百分比（53.1% ± 7.7%）和挤出体积（0.5 kN 下 11 μL，1 kN 下 22.8 μL）之间达到了最佳平衡，因此被选定为后续体内实验的推荐注射体积。
活体绵羊实验结果进一步验证了 TX 水凝胶的安全性和有效性。所有 TX 治疗部位均成功完成了注射和原位凝胶化，水凝胶轻度突出并牢固黏附于纤维环缺损表面。术后所有动物未出现临床不良事件，体重、行为和伤口愈合均正常。组织学分析显示，在 5 周时，空白对照组的缺损面积百分比已显著高于 TX 治疗组；到 10 周时，空白组的缺损面积进一步增大，而 TX 治疗组的缺损面积未发生显著变化。阿尔新蓝染色显示，在 TX 治疗组中可以观察到新生的板层样组织桥接纤维环缺损轮廓，而空白组的板层组织形成较少。H&E 染色和偏振天狼星红染色表明，TX 治疗部位的外层纤维环缺损被疏松的纤维血管组织（fibrovascular tissue）有序填充，而空白对照组的退变区域更为明显。在炎症反应方面，5 周时空白组有 4 个部位出现含铁血黄素吞噬细胞浸润（1 级），而 TX 治疗组仅有 1 个部位出现类似情况；10 周时两组各有 3 个部位出现轻度含铁血黄素吞噬细胞浸润，均未观察到肉芽肿性或中性粒细胞性炎症，表明 TX 水凝胶在完全降解后未引起异物反应或免疫原性反应。
本研究成功验证了 TX 水凝胶作为纤维环物理封堵装置的概念。该水凝胶能够通过注射方式填充纤维环缺损，在体温和模拟生理载荷（0.5–1 kN）下保持结构完整性和适度的弹性，同时其适中的黏附力保证了在缺损部位的稳定固定。活体绵羊实验证明，TX 水凝胶在 10 周观察期内能够稳定缺损结构、促进有序纤维血管组织的形成和板层样组织桥接，并有效降低局部炎症反应。该研究的意义在于：一方面，它为微创椎间盘切除术后预防再突出提供了一种全新的、无需额外手术的介入策略；另一方面，TX 水凝胶的可注射性、可降解性和低免疫原性使其具有显著的临床转化潜力，有望在门诊环境中作为预防性措施应用，降低再突出风险和再手术率，从而减轻患者痛苦和医疗系统的经济负担。
本研究的创新点主要体现在以下几个方面：其一，突破了可注射水凝胶在椎间盘领域主要用于髓核替代的传统思路，首次明确提出了利用水凝胶作为纤维环物理封堵屏障的概念。其二，采用了具有温敏特性的合成聚合物/多肽复合水凝胶体系，并通过 NMR 技术从分子水平确证了聚合物与多肽之间的非共价相互作用，为产品的质量控制提供了快速分析手段。其三，离体牛尾椎模型与活体绵羊模型的联合应用不仅优化了注射体积这一关键参数，还在模拟人体生理载荷条件下验证了水凝胶的防挤出性能。其四，通过组织学半定量评分系统，客观地比较了 TX 治疗组与空白对照组的缺损修复质量、退变程度和炎症反应水平，为水凝胶的安全性和有效性提供了较为全面的临床前证据。此外，研究团队还就 TX 水凝胶在绵羊体温（较人类高约 2 °C）条件下凝胶化动力学和力学性能的潜在差异进行了学术讨论，并认为该差异不会对研究结论产生实质性影响，体现了研究者在实验动物外推至人体应用时的审慎态度。