两表面间粘合强度差异高达20倍！可用于湿组织粘附的Janus水凝胶

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目前，手术缝合仍然是临床上最常用的方法，用于在受伤或手术后将伤口组织固定在一起，尤其是内部伤口。然而，手术缝合有一些明显的缺陷，例如缝合过程中的二次出血，随着材料科学的日益发展，一些组织粘合剂相继被报道，如纤维蛋白胶、氰基丙烯酸酯等、肽和水凝胶，展示了与传统手术缝合线相比的巨大优势。水凝胶生物粘合剂因其与组织适当的机械相容性和优异的生物相容性而受到广泛关注。与皮肤伤口愈合相比，由于体内环境极其复杂，开发用于修复内部软组织缺陷的有效水凝胶生物粘合剂更具挑战性。当前，简便地制造具有强大的湿组织粘附力同时具有有效的抗术后粘附力的不对称粘附水凝胶仍然是一个巨大的挑战。

来自华南农业大学的刘涛和刘珍珍团队通过控制水凝胶两侧游离羧基的界面分布，一步到位制备了一种一体成型的 Janus 水凝胶。在较低的搅拌速度下，生成的较大尺寸的乳液液滴主要占据水凝胶的顶面，这有效地阻碍了顶面羧基的暴露，促使它们更多地分布在底面上，最终产生附着力差的顶面，但即使在水下，底面也能牢固地粘附在各种湿纸巾上。两个表面之间的粘合强度差异高达20倍。兔子体内实验结果清楚地验证了水凝胶的底面牢固地粘附在胃缺损处。另一面，利用该凝胶可以有效解决生物体内术后粘连问题。此外，这种水凝胶表现出优异的机械韧性和导电性，已被用作高粘附应变传感器，以实时监测体内跳动的心脏。这种简单而有效的策略为创建 Janus 水凝胶生物粘合剂提供了一种更可行的方法。相关工作以题为“An Integrally Formed Janus Hydrogel for Robust Wet-Tissue Adhesive and Anti-Postoperative Adhesion”的文章发表在2023年3月16日的国际顶级期刊《Advanced Materials》。

1. 创新型研究内容

暴露在水凝胶表面的游离羧基 (-COOH) 基团已被证明可通过酰胺反应或静电相互作用与组织牢固结合。在本研究中，一类新的整体成型的 Janus 水凝胶（表示为MAH-x，图 1) 是通过控制游离-COOH 在水凝胶两侧的界面分布而制备的。在 600 RPM 的较低搅拌速度下，会生成包含疏水单体（甲基丙烯酸月桂酯，LMA）和表面活性剂（十六烷基三甲基溴化铵，CTAB）的较大乳液液滴，他们倾向于占据 MAH-600 水凝胶的顶面，从而有效地阻碍了表面上-COOH 的暴露，并导致顶面与组织的粘附性差。乳液液滴在水凝胶内部和底部表面的较低分布导致底部表面暴露出大量的 –COOH 基团，显示出对湿组织的牢固粘附性，即使在水下也是如此。有趣的是，MAH-600水凝胶两侧的粘合强度差异高达20倍，其机械韧性优于其他报道的水凝胶生物粘合剂。重要的是，兔子体内试验证实，这种合成的 Janus 水凝胶对受伤的胃和伤口的愈合表现出单侧强粘附性；同时，另一面能够有效防止术后粘连，与手术缝合相比具有显着优势。此外，MAH 水凝胶在没有任何导电添加剂的情况下表现出优异的导电性，并已被用作柔性应变传感器来监测体内跳动的心脏。因此，强大的湿组织粘附性、抗术后粘附性、坚韧的机械性能、导电性和简便的一步制备等显着综合性能显着促进了这种 MAH 水凝胶作为内部伤口修复应用的潜在候选者。

图1 MAH水凝胶的设计与表征

本研究进行了扫描电子显微镜 (SEM) 以研究冷冻干燥后 MAH-600 和 MAH-3000 的微观结构和元素分布。对于 MAH-600，顶面具有清晰的多孔结构和类似的封闭内部结构，与 MAH-3000 的互连传统水凝胶 3D 结构形成鲜明对比（图 2），也证实了MAH-600 的表面的顶部存在较大的乳液液滴。底部表面显示更密集的互连 3D 微结构。图 2b 显示了 MAH-600 的 SEM 截面图像，它呈现出不对称的微观结构，并且在 EDS 映射图像的顶部观察到元素 C 和 N 的清晰分布线。本研究使用 X 射线光电子能谱仪 (XPS) 表征 MAH 水凝胶的表面化学组成。与底面相比，MAH-600 的顶面表现出明显更强的季铵盐强度 (401.8 eV)。对于 MAH-600 样品的底面，C=O (288.9 eV) 和 C–O (286.4 eV) 的强度增加，而 C–N (285.7 eV) 的强度降低。这些 XPS 结果表明，更多的 –COOH 基团暴露在 MAH-600 水凝胶的底面，CTAB 在其顶面富集，这也与 EDS 结果一致。相比之下，在 MAH-3000 的两侧观察到类似的均匀 3D 微观结构、元素分布和化学成分。

图2 MAH水凝胶不对称机理的表征

水凝胶的体积强度对于内部生物粘附应用很重要，它应该具有足够的可恢复性并在伤口愈合期间耐受最大腹压（≈20 kPa）。本工作系统地研究了 MAH 水凝胶的力学性能。MAH-3000 的拉伸强度和压缩强度均最高（图 3），而机械性能随着搅拌速度的降低而逐渐下降，这是由于形成了明显的不对称结构结构以及低交联密度。此外，本研究还评估了表面活性剂结构对 MAH 水凝胶机械性能的影响，因为疏水链的长度也会影响乳液液滴的组装行为。当搅拌速度固定在600 RPM时，随着碳链长度从C18（OTAB）变为C16（CTAB）和C14（TTAB），MAH水凝胶的拉伸和压缩应力逐渐降低，并且使用 CTAB 制备的水凝胶表现出最长的拉伸应变，这归因于在该水凝胶系统中用于组装的碳链的适当长度。尽管与 MAH-3000 相比，这种异质 MAH-600 的机械性能相对较低，但其韧性仍优于其他先前报道的水凝胶生物粘合剂。本研究还进行了连续的循环拉伸和压缩测试以验证 MAH-600 和 MAH-3000 的可恢复性。这种水凝胶可以通过施加连续的逐步拉伸或压缩应变来恢复其原始状态，并且循环加载拉伸应力明显高于最大腹压。为了进一步展示MAH-600非凡的韧性，本研究还进行了一些更直观的展示，包括承重2公斤（图3f）、抵抗尖锐物体（图3g）、将水凝胶气球充气20次（图3h）、将水凝胶结拉伸 10 倍并用手术刀切割（图 3i）。获得的结果证实，尽管 MAH-600 水凝胶具有不对称结构，但由于组装诱导的物理交联点的协同作用、多物理相互作用以及整体形成的一步制备技术，它表现出优异的机械韧性。

图3 MAH 水凝胶的机械性能表征

根据这种 MAH-600 水凝胶的不对称表面结构的表征结果，发现其底部表面存在更多的游离-COOH 基团，这些暴露的游离-COOH基团可以通过EDC/sulfo-NHS偶联反应或其他物理相互作用（如氢键或静电相互作用）与组织的胺基牢固结合。首先，本研究评估了 MAH-600 的顶面和底面在湿猪皮上的粘合性能。如果没有另外说明，本研究中使用的组织基质均处于潮湿状态，以模拟真实的内部环境。图 4清楚地表明，与底面的牢固附着力相比，MAH-600 的顶面可以很容易地从湿猪皮上剥离。180°剥离试验用于定量评估MAH水凝胶上下表面的粘附强度（图4b）。独立研究了压制时间、搅拌速度、表面活性剂和基材类型对粘合性能的影响。如图 4c 所示，随着水凝胶的压制时间从 5 分钟增加到 70 分钟，粘附强度从 274 增加到 552 J m-2，直到达到稳定状态，这归因于更多的化学/物理键合相互作用的产生加压时间更长，适用于各种需要不同附着能力的修复场景。粘合测试的加压时间固定为 5 分钟。当搅拌速度和表面活性剂分别为 600 RPM 和 CTAB 时，底面相应的粘附强度是顶面的 20 倍，表明两侧之间存在显着的粘附差异（图 4d1，d2）。 MAH-600 上/下表面的这种粘附差异归因于游离-COOH 在两侧的不对称暴露，这是由乳液液滴的不同分布产生的。随着搅拌速度从 600 RPM 增加到 3000 RPM，这种粘合强度差异逐渐减小，这归因于在较高搅拌速度下分布在底面上的游离-COOH 减少。使用 OTAB 或 TTAB 作为表面活性剂制备的水凝胶在顶部和底部表面也表现出较小的粘附差异（图 4e1、e2）。据推测，表面活性剂疏水碳链的不同长度会影响乳液液滴的大小，从而减少底面上游离-COOH 基团的数量。因此，本研究选择 MAH-600 和 CTAB 作为后续测试的优化样品。除了猪皮外，MAH-600 的底面还表现出对胃、心脏和肠道的高粘附强度（图 4f1、f2）。这些结果证明了 MAH-600 Janus 水凝胶作为内部伤口修复生物粘合剂的巨大潜力，同时在另一侧发挥抗粘连作用。

图4 MAH-600 水凝胶不对称粘附的表征

为了提供直观视觉演示，本研究将MAH-600 底部粘附的猪皮完全浸入水中，发现其可承受 1 公斤的重量，与空气相当（图 5）。值得注意的是，即使在 300 kPa 的强水压下，MAH-600 水凝胶粘附猪皮也能保持其原始状态，证明了该水凝胶在极端环境中极其强大的粘附能力和机械性能。修复内部伤口对生物粘合剂的另一个要求是，密封剂必须能够抵抗来自胃肠道内容物、血液或腹压的高压。爆破压力测试是评估水凝胶承受动态压力和对伤口缺陷的粘附强度。图 5c 清楚地显示了自制装置和水凝胶 (30 mm × 30 mm) 和猪皮肤伤口 (直径: 5 mm) 的详细尺寸。泵送模拟胃液（SGF，pH = 2.0）以对水凝胶密封孔施加压力。记录了整个破裂过程，并且随着压力的增加观察到水凝胶气泡显着增加。当粘合时间为 30 s 时，MAH-600 的爆破压力达到 195 mmHg，高于其他商业生物粘合剂（纤维蛋白胶、氰基丙烯酸酯和 tegaderm 水胶体），这远高于最大腹部压力（150 mmHg）。同时，当按压时间超过 20 分钟时，爆破压力增加到 362 mmHg。这些结果进一步证实，MAH-600 Janus 水凝胶即使在极端条件下也表现出优异的粘合能力。

图5 MAH-600 水凝胶的水下附着力表征

此外，本研究还探索了一系列在离体猪器官（肺和胃）中的概念验证应用，以研究湿组织和动态组织的粘附能力。如图 6所示，MAH-600 以 30 秒的按压时间粘附肺缺损后没有漏气，验证 MAH-600 可以形成水下气密密封受损的肺叶（直径：5 毫米）。此外，它可以在连续注水的情况下为充满水的穿孔胃（直径：5 毫米）提供稳固的液密密封。特别是，这种水凝胶还表现出 0.19S m−1 的优异电导率，与之前报道的导电水凝胶相当，这归因于季铵盐、羧基和磺酸盐等丰富的离子基团存在于该水凝胶结构中。考虑到 MAH-600 的导电性和稳健的粘合性能，它被制备为一种用于监测体内跳动心脏的应变传感器。水凝胶应变传感器可以很容易地组装并直接粘附在心脏的动态和弯曲表面上，而无需任何胶带。除了在手动泵送下监测离体猪心脏，该 MAH-600 应变传感器还可以在体内实时监测跳动的兔心脏。在麻醉条件下监测活兔的心率约为 210 bpm，这在正常的理论范围内（180-250 bpm），这进一步证明MAH-600水凝胶对湿组织的粘附可靠性。

图6 MAH-600水凝胶的体外和体内应用

除了其优异的粘合性能外，生物相容性是内部生物粘合剂的先决条件。本研究还使用 Cell Counting Kit-8 (CCK-8) 和活/死细胞染色测定评估 MAH-600 的体外细胞毒性。与空白对照样品相比，这种水凝胶显示出 95% 的高细胞活力，表明具有出色的生物相容性。随后，本研究制作了新西兰白兔（雄性，≈2.5 kg，n = 12）的胃缺损（直径：5 mm），并牢固地粘附MAH-600水凝胶（直径：15 mm）的底面尽管粘附的伤口部位受到扭曲或拉伸，但在轻轻按压约 30 秒后仍会出现缺陷（图 7）。相比之下，缝合的控制方法需要至少 5 分钟来密封缺损，而在缝合过程中会同时产生继发性出血和正常组织损伤。总体而言，MAH-600 生物粘合剂提供了快速、简单且完全保形的密封。术后第 7 天和第 14 天检查缺损组织修复情况。缝合组第7天和第14天缝合处可见明显网膜粘连和白色肉芽组织，这是由于胃液或血液从伤口渗漏引起的炎症反应所致。观察到缝合部位与其他组织（包括大网膜和肝叶）之间存在严重的术后粘连。相比之下，MAH-600修复的胃表面光滑不粘连，无组织粘连，第14天缺损处基本愈合，表明该MAH水凝胶同时具有良好的创面促愈合和抗术后粘连性能。第14天修复创面几乎没有残留水凝胶材料；然而，需要进一步的实验来评估 MAH 水凝胶在体内的生物降解性。

图7 MAH-600水凝胶作为胃创面修复的组织粘合剂和抗术后粘连物理屏障

2. 总结与展望

在这项研究中，通过调整顶部/底部表面上游离-COOH 基团的界面分布，通过一步法制造制备了一种不对称的 Janus 水凝胶生物粘合剂。通过 SEM、3D 轮廓、XPS 和光学显微镜系统地研究了不对称结构。MAH-600水凝胶同时表现出对湿组织的强粘附性和抗粘连能力，一种水凝胶内两侧的粘附强度差异达到20倍。MAH-600 的机械韧性优于其他报道的水凝胶生物粘合剂。特别是，这种MAH-600水凝胶即使在水下也能有效密封漏气的猪肺叶和漏液的猪胃，实现对活兔心脏跳动的活体监测。体内胃创面修复试验清楚地表明，MAH-600水凝胶不仅牢固地粘附在胃创面，解决了缝合方式操作繁琐、二次出血、正常组织损伤等问题，而且促进了创面愈合。术后粘附于大网膜和其他正常组织显示出作为内部伤口修复的生物粘合剂的巨大潜力。鉴于 MAH 水凝胶独特的不对称粘合性能和简便的制备方法，它开辟了一种新颖有效的方法来制造完全不同的 Janus 水凝胶生物粘合剂，用于同时进行体内伤口愈合和抗术后粘附。

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