鄭大郭鐘偉/清華大學孫偉教授合作Biofabrication | 凝聚作用觸發(fā)的分層組裝水凝膠...

粘附性水凝膠作為組織粘合劑、外科密封劑和止血材料具有巨大的應用潛力。然而，開發(fā)能夠在潮濕、動態(tài)的生物組織上快速可控發(fā)揮粘附作用的水凝膠材料是一個巨大的挑戰(zhàn)。近日，一篇名為“Coacervation-triggered hierarchically assembled hydrogels with application as surgical sealant”的文章由鄭州大學郭鐘偉副研究員和清華大學孫偉教授等在Biofabrication (IF=11.06)上發(fā)表。研究開發(fā)了一種凝聚作用觸發(fā)的成型策略，使重組人膠原蛋白（RHC）和單寧酸（TA）能夠進行分層組裝，該策略制備的水凝膠具有作為手術密封材料的多種優(yōu)良性能，包括快速凝膠時間(<10s)、凝血時間(<60s)、超拉伸性(應變>10000%)、強粘附力(粘附強度>250 kPa)。最后成功應用于心臟和肝臟組織的牢固粘附和密封。這項工作為生物醫(yī)學應用提供了一種在潮濕和動態(tài)生物環(huán)境中極具前景的水凝膠基外科密封劑。

技術路線

圖1. 基于RHC和TA分子凝聚作用的快速交聯(lián)、高粘附、超拉伸、止血水凝膠的設計策略。

實驗結果

圖2. 基于分子動力學模擬的方法預測RHC與TA分子的相互作用。

在開始實驗之前，作者首先利用分子動力學模擬的方法來證明RHC和TA可能通過物理相互作用形成組裝復合體的假設（圖2）。通過分子建模的方法構建RHC與TA分子的三維結構，并通過GROMACS進行優(yōu)化，隨后將二者在進行混合，結果顯示RHC和TA分子在整個20 ns過程中緊密結合而沒有分離，表明它們之間有很強的相互作用。

圖3. RHC與TA分子相互作用的實驗驗證。

為了驗證分子動力學模擬結果的準確性，作者設計了相關實驗進行證明（圖3）。RHC和TA溶液在混合前均保持透明的溶液狀態(tài)，隨著二者的混合，溶液逐漸變成乳白色并有沉淀緩慢形成。通過SEM分析，結果顯示RHC在混合步驟前表現(xiàn)出松散的顆粒結構，而TA分子的摻入使得RHC形成致密的塊狀結構。UV-vis結果顯示，在加入RHC后，TA分子在280 nm處的特征吸收峰明顯可見，并保持不變，說明苯酚基沒有被氧化。不同組成的混合物的FT-IR光譜所示，隨著TA的摻入，吸收峰明顯降低，這可能與RHC與TA之間的氫鍵作用有關。

圖4. RHC-TA水凝膠的合成與表征。

通過調(diào)節(jié)RHC與TA的濃度，RHC與TA可形成微黃色水凝膠（圖４）。作者隨后進行了一系列的液態(tài)-凝膠態(tài)相變實驗。結果顯示，凝聚復合體可從液體（灰色區(qū)域）、顆粒狀聚集（綠色區(qū)域）到網(wǎng)狀聚集（松散、黃色區(qū)域）和網(wǎng)狀聚集（密集、紅色區(qū)域）發(fā)生遞進轉變，最多有四個組裝階段。利用熒光顯微鏡描述了通過過渡階段的形態(tài)變化，顆粒狀聚集體呈隨機分散的塊狀角結構。

圖５. RHC-TA水凝膠的流變、可塑性、可變形、自愈合特性。

如圖５顯示，RHC-TA水凝膠具有非常優(yōu)越的“液－固”粘彈性特征，一塊球形RHC-TA水凝膠可以被加工成各種形狀，包括球形、立方體、三角形、矩形、花朵、房屋等。

圖６. RHC-TA水凝膠的力學特征。

得益于動態(tài)和可逆的物理交聯(lián)網(wǎng)絡，RHC-TA水凝膠表現(xiàn)出了優(yōu)異的機械性能（圖6）。比如超可拉伸性能。由于高加工性和靈活性，拉伸的燈絲可以像普通線一樣繞著收集桿旋轉，成功制作了500、300和150μm不同直徑的直線細絲。當拉伸水凝膠時，RHC和TA之間的動態(tài)和可逆的物理相互作用通過解壓縮分層纖維結構的交聯(lián)點，提供了一個有效的能量耗散函數(shù)。通過拉伸和壓縮試驗得到的應力-應變曲線所示，RHC-TA水凝膠具有良好的力學性能。RHC-TA水凝膠的這些特性在傷口密封和組織粘附方面具有良好的潛力。

圖７. RHC-TA水凝膠的體外粘附和止血性能。

受到海洋貽貝粘附過程的啟發(fā)，RHC-TA水凝膠的觸發(fā)過程模擬了其中的層次結構，合成了具有優(yōu)越濕粘附能力的原位凝膠體系（圖７），并展現(xiàn)出了牢固的粘合強度和快速止血能力，為進一步的體內(nèi)實驗打好了基礎。

圖8. RHC-TA水凝膠在水下、動態(tài)環(huán)境中的粘附性能展示。

為了測試RHC-TA水凝膠是否在濕潤環(huán)境中能否保持較高的粘附能力，本實驗采用了RHC-TA水凝膠在水下環(huán)境中對心臟、肝、肺肌、骨、皮膚等不同的生物組織進行粘附測試，均表現(xiàn)出緊密的粘附能力（圖８）。SEM圖像顯示RHC-TA水凝膠與組織之間的粘附界面緊密連接。

圖9. RHC-TA水凝膠作為手術密封膠在大鼠心臟出血模型中的體內(nèi)評價。

在大鼠心臟出血模型中使用RHC-TA水凝膠作為手術密封劑進行測試（圖９）。將RHC和TA溶液在心臟出血部位進行原位混合成膠，以防止致命的血液滲漏。H&E染色顯示，移植后7天，水凝膠與心臟組織表面粘附緊密，證實了其強而穩(wěn)定的密封效果。體外粘附試驗表明，RHC-TA水凝膠在心臟組織上具有良好的粘附強度。對早期介入后生存數(shù)據(jù)的log rank分析顯示，RHC-TA水凝膠治療組與對照組相比有顯著改善，表明水凝膠具有停止致命出血和維持正常生理功能的潛力。第3天和第7天的免疫染色顯示，僅在第3天的時間點才有少量的局部淋巴細胞浸潤（CD3）和巨噬細胞（CD68），但在第7天消失。隨后的大鼠肝臟出血模型也顯示出了良好的結果。
結論與展望
在這項研究中，作者模擬了天然材料的凝聚過程和分層組裝結構，通過引入RHC和TA分子，首次開發(fā)了一種非常有前途的水凝膠基手術密封膠。通過調(diào)節(jié)二者凝聚過程的參數(shù)，RHC和TA組裝體的構象從顆粒狀聚集體演變?yōu)榫W(wǎng)狀聚集體（松散）和網(wǎng)狀聚集體（致密），伴隨著機械和粘附性能的顯著增強。由此得到的分層結構水凝膠顯示出了幾個關鍵特征，滿足潛在的手術密封膠的要求：(1)易于加工和操作，(2)快速的凝膠和止血能力，(3)強大的機械和堅韌的粘附性能，(4)超拉伸和自愈合能力，(5)良好的生物相容性。由于上述特性，水凝膠成功地應用于原位切口部位，并迅速凝聚，以在潮濕和動態(tài)的生物環(huán)境中實現(xiàn)強大的粘附。此外，RHC和TA本身都具有良好的生物相容性，且不需要額外的引發(fā)劑或交聯(lián)劑。本研究提出了一種手術密封膠，可廣泛應用于體內(nèi)生物組織的粘附，為水凝膠結構設計提供了科學和應用基礎。
參考文獻
Zhongwei Guo, Zunghang Wei, Wei Sun. Coacervation-triggered hierarchically assembled hydrogels with application as surgical sealant. Biofabrication 15 (2023) 035021.
https://doi.org/10.1088/1758-5090/acdc55