中科院长春应化所贺超良《Sci. Adv.》：可注射、自愈水凝胶胶黏剂，可实现无缝伤口闭合！

组织胶黏剂作为缝合线的替代品和补充剂已经引起了人们的广泛兴趣，但主要的挑战仍然存在，包括组织粘附力弱，生物相容性不足，以及生物降解失控。中国科学院长春应用化学研究所贺超良团队通过邻苯二甲醛/胺(肼)无催化剂交联反应，研制出了可注射的生物相容性水凝胶胶黏剂。这种水凝胶对各种组织表现出快速而牢固的粘附性，并建立了邻苯二甲醛介导的组织粘附性机制。通过将二硫键掺入到水凝胶网络中，水凝胶胶黏剂在体内显示出6到22周的受控降解曲线。在肝脏和血管损伤时，水凝胶有效地封闭了伤口，并迅速止血。在大鼠和兔全厚皮肤切开模型上，水凝胶胶黏剂能迅速闭合伤口，促进创面愈合，其效果优于市售的纤维蛋白胶和氰基丙烯酸酯胶。因此，在外科应用中，水凝胶胶黏剂在无缝合伤口、止血封闭和防止渗漏方面显示出巨大的潜力。该研究以题为“Injectable, self-healing hydrogel adhesives with firm tissue adhesion and on-demand biodegradation for sutureless wound closure”的论文发表在《Science Advances》上。

该研究利用OPA/N-亲核缩合反应，以酰肼修饰的透明质酸(HA)和OPA端基的四臂聚乙二醇(4aPEG-OPA)为构建基块，构建了水凝胶胶黏剂。OPA/酰肼交联型水凝胶的设计是由于腙键的动态性质，它可以赋予本体系统自愈性能。此外，通过OPA与组织中存在的胺基团的自发偶联，通常是在细胞外基质的蛋白质中，通过形成稳定的邻苯二甲酰亚胺键，可以实现水凝胶与组织的牢固粘合。

【水凝胶的合成与表征】

HA-ADH/4aPEG-OPA(记为HA-PEG)水凝胶是通过在生理条件下将HA-ADH与4aPEG-OPA以1:1的质量比简单地混合在磷酸盐缓冲盐水(PBS)中形成的，无需参与任何催化剂。为了深入了解交联过程，该研究使用模型分子通过密度泛函理论(DFT)计算研究了OPA和酰肼之间的反应机制。结果表明OPA可以作为高反应性交联基团用于快速形成水凝胶。由于OPA和酰肼之间形成的腙键的可逆性质，水凝胶表现出自修复特性。通过将水凝胶切成两块并将它们彼此接触，20分钟后两块愈合成一块水凝胶，在重力作用下可以保持其完整性。水凝胶的自修复特性归因于OPA和酰肼之间形成的腙键的可逆性质。通过恢复损坏后的机械强度，有利于提高水凝胶胶黏剂的耐用性和可靠性。

胶黏剂的生物降解在伤口愈合和组织再生中起着关键作用。为了研究HA-PEG水凝胶的体外降解，该研究在空白PBS和含有透明质酸酶的PBS中孵育7% (w/v)水凝胶。通过在培养基中添加透明质酸酶可以加速水凝胶的降解速率，这是由于HA主链的断裂。在透明质酸酶存在下，水凝胶在11天内降解。此外，HA-PEG水凝胶在体外表现出良好的生物相容性。

【HA-PEG水凝胶的组织粘附性能和止血性能】

为了确定HA-PEG水凝胶的组织粘附性能，将水凝胶夹在两片猪皮之间，并通过剪切试验测量其粘附强度。当聚合物浓度从4%增加到7% (w/v)时，水凝胶的粘附强度从18.0±1.8 kPa明显提高到27.6±3.9 kPa。然而，当浓度进一步增加到10% (w/v)时，附着力仅略有增加，达到30.3±4.6 kPa。此外，7% (w/v) OPA/酰肼交联HA-PEG水凝胶的粘附强度(27.6±3.9 kPa)显著高于市售纤维蛋白胶(12.1±3.5 kPa)和7% (w/v)苯甲醛/肼交联HA-ADH/4aPEG-PhCHO水凝胶(0.9±0.8 kPa)。水凝胶对各种组织的强大粘附可归因于水凝胶和组织之间形成稳定的邻苯二胺键。此外，基于腙键的动态交联网络为整体水凝胶提供了能量耗散能力。

为了进一步证明水凝胶的组织粘附性，将7% (w/v)的HA-PEG水凝胶应用于各种离体组织。经拉伸、弯曲、扭转、用水冲洗后，水凝胶与猪皮肤黏附较强，不脱离，并能与肝、心、肾等组织紧密黏附，切口闭合牢固。由于其强大的组织粘附和凝血作用，7% (w/v) HA-PEG水凝胶在大鼠肝出血模型以及兔股静脉和动脉出血模型中被评估为潜在的密封剂，实现止血。

【HA-PEG 水凝胶在全层皮肤切口伤口闭合中的性能】

为了进一步研究7% (w/v)HA-PEG水凝胶用于伤口闭合的潜力，使用了大鼠全层皮肤切口模型(雄性，切口长度= 2 cm)。HA-PEG水凝胶能够在伤口愈合过程中抵抗皮肤的拉力长达14天。相比之下，纤维蛋白胶的组织粘附力相对较弱，氰基丙烯酸酯胶较脆，容易从皮肤上剥离。因此，用纤维蛋白胶和氰基丙烯酸酯胶治疗的组表现出伤口闭合失败。

使用苏木精和曙红(H&E)以及免疫组织化学染色进一步对修复后的皮肤进行组织学分析。与未处理组和用纤维蛋白胶和氰基丙烯酸酯胶处理的组中观察到的结果相比，用HA-PEG水凝胶处理在处理后第7天导致伤口面积显着减少。此外，HA-PEG水凝胶处理的伤口在第7 天和第14天的H&E染色图像中表现出最小的炎症。结果表明HA-PEG水凝胶通过减少伤口部位的炎症来加速伤口愈合过程。

胶原纤维在伤口愈合过程中恢复组织结构和功能方面发挥着重要作用。通过马森三色染色评估伤口中的胶原沉积。结果表明，使用HA-PEG水凝胶快速闭合伤口可以减少伤口面积，减轻炎症，促进胶原蛋白沉积，从而促进伤口愈合。

【通过掺入二硫键实现水凝胶的按需生物降解】

聚合物网络中，降解速率可以通过添加GSH来调节。在1 mM GSH存在下，HA-SS-PEG水凝胶在2天内降解。将GSH浓度增加至5 mM可使降解时间缩短至1天。此外，为了研究在更生理相关的条件下的降解行为，该研究在细胞培养基中孵育水凝胶。HA-SS-PEG水凝胶在细胞培养基中可在11天内降解，这比HA-PEG水凝胶的降解速度(19天)更快。这表明水凝胶表现出可调节的生物降解性。此外，水凝胶在体内也具有良好的生物相容性。

【水凝胶用于兔全层皮肤切口伤口闭合的性能】

为了评估HA-PEG和HA-SS-PEG水凝胶的体内粘附性能，该研究建立了兔全层皮肤切口模型(雄性，切口长度，3 cm)。结果表明 HASS-PEG 水凝胶表现出优异的组织粘附性、良好的生物相容性和可控的生物降解性，因此有望作为无缝线伤口闭合的组织胶黏剂。

【小结】

该研究表明水凝胶胶黏剂具有良好的细胞相容性和组织相容性。需要未来的研究来评估体内的长期降解和代谢。对大鼠和兔子模型的研究表明，水凝胶胶黏剂在止血密封和伤口闭合方面具有良好的性能。进一步评估和优化大型动物模型的伤口闭合和组织修复性能对于该材料的临床转化也很重要。总体而言，HA/PEG水凝胶具有生物相容性粘附机制、优异的组织粘附性能和良好控制的生物降解率，显示出开发下一代组织胶黏剂的强大潜力。

来源：BioMed科技

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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