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西安交大郭保林教授團隊 Nano Today:可用于胃修復的即時濕粘性和抗溶脹Janus水凝膠密封劑
2024-02-18  來源:高分子科技

  胃穿孔是胃酸分泌過多或胃部自我保護能力過強導致的腹部疾病之一,可誘發胃功能障礙及出血、梗阻、腹膜炎、感染性休克等多種并發癥。因此,胃穿孔及其并發癥給患者和醫療系統帶來了多重負擔。目前最常用的胃穿孔治療策略包括手術和由聚合物制成的可生物降解縫合線縫合,而縫合帶來閉合不完全、腹膜炎高風險和術后粘連等并發癥也不容忽視。所以組織密封劑作為縫合線的替代品或輔助手段來修復胃穿孔引起了人們的廣泛關注。


  受貽貝啟發,郭保林教授團隊設計并開發了一種具有不對稱結構的水凝膠密封劑,其具有即時濕粘性和抗溶脹行為,能夠用于胃穿孔修復,并降低術后粘連及并發癥的風險。該水凝膠基于聚丙烯酸(PAA)、明膠(GT)和鄰苯二酚改性的超支化聚合物(HBPC)制成,其中聚丙烯酸(PAA)由PEGDA-600交聯,明膠(GT)由超支化聚合物與鄰苯二酚改性(HBPC)交聯,進而通過一側與陽離子聚合物絡合而形成不對稱結構。PAAGT在水中形成的強物理相互作用增強了凝膠的機械強度。并且該水凝膠表現出良好的抗溶脹行為,規避了傳統水凝膠因溶脹而產生的局限性。水凝膠中疏水組分誘導的水排出以及PAA的親水性協同作用,增強了濕附著性。其PAA中羧基的pH響應質子化使水凝膠具有極強的耐酸性。體內實驗結果顯示,這種不對稱膠粘水凝膠有助于胃穿孔的修復,并減少了術后組織粘連的風險,為用于胃部密封和修復的生物膠粘劑的開發提供了思路。


  上述工作以“A Janus hydrogel sealant with instant wet adhesion and anti-swelling behavior for gastric perforation repair”為題,在《Nano Today》上發表。文章通訊作者為西安交通大學郭保林教授。


論文亮點


  1.該文章通過表面改性成功制備了具有不對稱結構、瞬間濕粘/抗溶脹行為的水凝膠密封劑,該不對稱密封劑作為縫合的輔助劑促進了胃穿孔的愈合,并顯著減少了術后組織的粘連。


  2. 具有pH依賴的粘附性和耐酸性水凝膠在去離子水中表現出增強的機械強度。


1. Janus水凝膠密封劑的設計示意圖,該密封劑具有即時濕粘附和抗溶脹行為,用于胃穿孔修復。(aHBPC制備中的Michael加成反應過程。(b)不對稱結構粘附水凝膠的制備方案。(c)傳統水凝膠在浸入水或極端酸性條件的液體中時具有明顯的溶脹行為。(d)具有抗溶脹行為的Janus水凝膠密封劑。疏水性相分離賦予水凝膠抗溶脹行為。水凝膠浸泡在水中時,由于PAAGT之間形成物理相互作用而表現出增強的機械強度。(e)可用于胃穿孔修復,具有即時濕粘附力的Janus水凝膠密封劑的示意圖。排水和隨后對殘留水分的吸收使得其在濕組織上具有很強的粘附力。 


2. 水凝膠在去離子水中的溶脹行為和增強的拉伸強度。水凝膠在水中浸泡一定時間(n=3)后的圖像(a)和溶脹率(b)。不同處理下水凝膠的應變-應力曲線(c)、斷裂應力和應變(d)(n=6)。 


3. 水凝膠的理化性質。(a)水凝膠在PBS中浸泡72小時后的溶脹率(n=3)。(bPBS中水凝膠的降解率(n=3)。(c)樣品在極端酸性條件和PBSn=3)中的溶脹率。水凝膠浸泡在極端酸(d)和PBSe)溶液中的應變-應力曲線。(f)樣品在一定時間下SGF中的溶脹率(n=3)。用極端酸(g)和PBSh)溶液處理的凝膠的斷裂應力和應變(n=6)。 


4. 水凝膠的粘附能力。水凝膠在(a)豬皮膚組織、(b)皮下脂肪、(c)具有水合層的豬皮膚組織、(d)豬肌肉和(e)豬胃上的粘附強度(n=10)。(f)不同處理的水凝膠在豬皮膚和胃組織中的粘附強度(n=10)。(g)水凝膠在不同基材上的粘附展示。 


5. 水凝膠的流變特性。(a)水凝膠的角頻率掃描曲線。(b)應變振幅掃描(左)和應變固定在水凝膠1%的時間掃描(右)。(c)水凝膠的流變自愈合能力,應變從1%400%,持續5個循環。(d)水凝膠從4-60°C變化時的溫度掃描曲線。(e)溫度從25°C37°C切換時水凝膠的交替應變時間掃描曲線。(f)水凝膠的原始、斷裂、橫截面、自支撐、愈合和拉伸狀態的圖像。(g)水凝膠在基材上隨溫度變化的粘附行為的展示。 


6. 水凝膠的不對稱性質。(a)水凝膠在Cos2 wt%)中浸泡一定時間后的應變-應力曲線。(b)水凝膠在Cos2 wt%)中浸泡一定時間后的斷裂應力和應變。24-24代表將水凝膠浸入Cos24小時,然后再浸入水中24小時(n=6)。不對稱處理的水凝膠表面(c)和橫截面(d)的SEM圖像。(e180°剝離測試示意圖。用Cos不對稱處理的水凝膠在豬皮(f)和胃的血清肌肉層(g)上的界面強度(n=10)。 


7. Janus水凝膠貼片胃穿孔修復的評估。(a)密封胃穿孔策略的示意圖和照片。用網膜和水凝膠治療后第71421天胃傷口的圖像(b)和H&E染色(c)。紅色星號表示松散的纖維組織,紅色箭頭表示組織上殘留的水凝膠。 


8. 水凝膠作為胃穿孔修復密封劑的組織學評估。Masson的三色染色(a)和PCNA(深棕色細胞核)免疫組織化學染色(b)用于處理一定時間后收獲的組織。對處理一定時間后收獲組織的CD68c)和CD31d)進行免疫熒光染色。PCNA染色(e)、CD68染色(f)和CD31染色(g)的定量結果。紅色星號表示松散的纖維組織,紅色箭頭表示組織上殘留的水凝膠。


  綜上所述,文章研制了一種結構不對稱、瞬間濕粘附、抗溶脹行為的粘性水凝膠,用于胃穿孔修復。PAAGT在浸入水中時形成的強烈物理相互作用使水凝膠具有增強的機械強度。此外,PAAGTHBPC中疏水鏈段之間的強物理相互作用協同限制了水凝膠的溶脹行為,避免了傳統水凝膠因溶脹而導致的內聚力和粘附力下降。此外,PAA中羧基的pH依賴性質子化使水凝膠在極端酸性環境下具有耐受性和pH依賴性粘附。更重要的是,網絡中疏水鏈段的排水作用與親水性PAA的水化作用相結合,協同去除了濕表面的水化層,有助于增強凝膠瞬間濕粘附性。所有這些特性都表明了Janus水凝膠在內部組織修復中的應用前景。體內胃穿孔修復評估結果表明,不對稱粘附水凝膠可以通過加速炎癥向增殖期的轉變來促進穿孔的愈合過程,降低術后組織粘連的風險。上述特性表明Janus水凝膠密封劑可以為開發用于內臟或組織修復的生物粘合劑提供有用的見解。


  文章鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013223003547


  郭保林課題組簡介:https://gr.xjtu.edu.cn/web/baoling/home

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(責任編輯:xu)
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