大家好，今天來了解一項可註射、自修復的水凝膠膠粘劑研究成果——【Injectable, self-healing hydrogel adhesives with firm tissue adhesion and on-demand biodegradation for sutureless wound closure】發表於【Science Advances】。在傷口處理領域，傳統方法存在諸多局限，而這種新型膠粘劑帶來了新的希望。它具有牢固的組織粘附性，能像強力膠水一樣緊密貼合傷口；同時具備按需生物降解功能，可根據傷口愈合情況自動調整。接下來，讓我們一起深入了解它是如何實作無縫合傷口閉合這一突破的。
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一、研究背景
每年有數百萬人遭受各種型別的傷口，傳統的傷口閉合方法如縫合和釘合存在一些問題，如操作耗時、技術要求高，在緊急情況不適用，還可能導致二次組織損傷和液體或瓦斯泄漏。組織膠粘劑作為一種替代或補充方法受到關註，但現有的膠粘劑存在組織粘附力弱、化石相容性不足和生物降解不可控等挑戰。
二、水凝膠的合成與表征
（一）材料合成
合成了己二酸酰肼修飾的透明質酸（HA-ADH），其取代度為11.8%。
制備了鄰苯二甲醛封端的四臂聚乙二醇（4aPEG-OPA），其末端OPA的修飾度為75%。
將HA-ADH與4aPEG-OPA在生理條件下以品質比1:1混合，無需催化劑即可形成HA-PEG水凝膠。
（二）凝膠形成機制
透過時間依賴性¹HNMR分析和密度泛函理論（DFT）計算表明，OPA與酰肼反應形成異吲哚雙（半縮醛胺）（IBHA）雜環中間體，進一步脫水形成酰腙。
OPA與酰肼的反應能壘低於苯甲醛與酰肼的反應，說明OPA可作為快速形成水凝膠的高活性交聯基團。
（三）水凝膠效能
凝膠化時間
采用小瓶倒置法評估凝膠化時間，在pH7.4和37°C下，隨著聚合物濃度的增加，凝膠化時間縮短。
例如，當聚合物濃度為4%、7%和10%（w/v）時，HA-PEG水凝膠的凝膠化時間分別為2.0±0.1、1.5±0.2和1.3±0.1min，而苯甲醛/酰肼交聯的水凝膠在相同條件下的凝膠化時間分別為231±6、89±1和49±1min。
微觀結構
冷凍掃描電子顯微鏡（cryo-SEM）影像顯示HA-PEG水凝膠具有多孔結構，有利於活性分子和細胞的運輸。
流變學效能
時間掃描流變學測試表明，在交聯過程中，4%-10%（w/v）的HA-PEG水凝膠的儲能模量（G'）在0.5min內迅速超過損耗模量（G''），並在20min內達到平台期，表明系統具有彈性行為和快速形成水凝膠。
頻率掃描流變學測試顯示7%（w/v）的HA-PEG水凝膠在1-100Hz範圍內G'幾乎恒定。
應變掃描流變學測試表明水凝膠在應變1%-100%範圍內表現出線性黏彈性，在應變超過100%時G迅速下降。
自愈合效能
將水凝膠切成兩塊並使其接觸，20min後兩塊愈合為一塊，且在重力作用下能保持完整性。
透過逐步應變流變學測試評估不同濃度水凝膠的自愈合效能，結果表明水凝膠在高應變下發生交聯斷裂，黏性行為占主導，應變降低後G'和G''值幾乎完全恢復。
機械效能
隨著聚合物濃度從4%增加到10%（w/v），水凝膠的抗壓和抗拉強度分別從87.9±37.3kPa增加到326.4±87.8kPa和從7.1±0.7kPa增加到35.2±5.5kPa。
生物降解效能
將7%（w/v）的HA-PEG水凝膠在空白PBS和含透明質酸酶（10U/ml）的PBS中孵育，結果顯示在空白PBS中40天內水凝膠因酰腙鍵逐漸斷裂而膨脹並完全降解，在含透明質酸酶的PBS中11天內降解。
4%和10%（w/v）的HA-PEG水凝膠在含透明質酸酶的PBS中分別在8天和15天內降解，表明聚合物濃度增加可延長水凝膠降解時間。
化石相容性
采用CCK-8測定法評估前驅體聚合物HA-ADH和4aPEG-OPA對NIH3T3細胞的細胞相容性，結果顯示在濃度0.0625-1mg/ml範圍內細胞活力大於90%，表明無明顯細胞毒性。
將HA-PEG水凝膠與NIH3T3成纖維細胞共培養3天，細胞活力與PBS組相當。
溶血試驗結果顯示水凝膠萃取物的溶血率小於5%，表明水凝膠具有良好的血液相容性。
三、組織粘附效能和止血效能
（一）組織粘附強度
將水凝膠夾在兩片豬皮之間，采用搭接剪下試驗測量粘附強度。結果顯示，聚合物濃度為4%、7%和10%（w/v）的水凝膠的粘附強度分別為18.0±1.8kPa、27.6±3.9kPa和30.3±4.6kPa，7%（w/v）的OPA/酰肼交聯的HA-PEG水凝膠的粘附強度明顯高於市售纖維蛋白膠和苯甲醛/酰肼交聯的水凝膠。
透過將水凝膠套用於豬腸衣的孔洞進行爆破壓力測試，結果顯示聚合物濃度為4%、7%和10%（w/v）的水凝膠的爆破壓力分別為67.8±20.5mmHg、171.9±31.8mmHg和296.4±47.0mmHg，7%和10%（w/v）的水凝膠的爆破壓力明顯高於纖維蛋白膠和人體正常動脈血壓。
（二）粘附機制
透過cryo-SEM觀察到豬腸衣與7%（w/v）的HA-PEG水凝膠之間形成緊密界面，DFT計算表明OPA與伯胺反應形成IBHA中間體，然後脫水並透過互變異構轉化為鄰苯二甲酰亞胺產物，該反應具有較高的能量釋放，表明鄰苯二甲酰亞胺鍵的穩定性。
基於酰腙鍵的動態交聯網路為水凝膠提供了能量耗散能力，透過迴圈壓縮試驗驗證了水凝膠的能量耗散能力。
（三）體外和體內組織粘附及止血效果
將7%（w/v）的HA-PEG水凝膠套用於豬皮、肝臟、心臟和腎臟等多種組織，結果顯示水凝膠在拉伸、彎曲、扭轉和水沖洗後仍能牢固粘附在組織上，並能實作緊密的切口閉合。
在體外血液凝固實驗中，HA-PEG水凝膠的凝血時間為0.4±0.1min，明顯短於纖維蛋白膠的1.1±0.5min。透過cryo-SEM觀察到血小板和紅血球在水凝膠網內聚集。
在大鼠肝臟出血模型中，水凝膠在10s內實作止血，而纖維蛋白膠組的止血時間為134±0.5s，水凝膠組在3min內的失血量比未處理組減少了92.5%。
在兔股靜脈和動脈出血模型中，水凝膠在30s內有效密封切口，防止出血。
四、全層皮膚切口的傷口閉合效能
（一）傷口閉合效果
在大鼠全層皮膚切口模型中，將HA-PEG水凝膠的前驅體溶液混合後套用於切口，2min內可有效閉合傷口，並能在外部拉伸和扭轉力作用下保持傷口閉合，在傷口愈合過程中能抵抗皮膚的拉力達14天。
在兔全層皮膚切口模型中，HA-PEG和HA-SS-PEG水凝膠均能有效閉合傷口，抵抗皮膚拉力達20天，傷口愈合效果良好，瘢痕可忽略不計。
（二）組織學分析
在大鼠和兔全層皮膚切口模型中，對修復後的皮膚進行組織學分析，包括蘇木精-伊紅（H&E）染色和免疫組織化學染色。結果顯示，與未處理組和纖維蛋白膠、氰基丙烯酸酯膠處理組相比，HA-PEG水凝膠處理的傷口在第7天和第14天的傷口面積明顯減小，炎癥反應輕微。
采用Masson’strichrome染色評估傷口處的膠原沈積，結果顯示所有組在第7天到第14天膠原沈積增加，未處理組在第14天的膠原水平明顯低於HA-PEG和縫合處理組。
透過CD31和α-平滑肌肌動蛋白（α-SMA）染色評估傷口處的血管生成和肌成纖維細胞分化，結果顯示HA-PEG水凝膠處理後CD31和α-SMA正常表達。
五、按需生物降解效能
（一）水凝膠的合成與效能
合成了含二硫鍵的3,3'-二硫代雙（丙酰肼）修飾的HA（HA-DTPH），並與4aPEG-OPA混合形成HA-SS-PEG水凝膠，其凝膠化時間、機械效能和組織粘附強度與HA-PEG水凝膠相當，且在體外具有良好的化石相容性。
在體外，將HA-SS-PEG水凝膠在不同介質中孵育，結果顯示在空白PBS中30天內水凝膠持續膨脹，在含透明質酸酶（10U/ml）的PBS中12天內降解，在含1 mM和5 mM GSH的PBS中分別在2天和1天內降解。
在細胞培養基中，HA-SS-PEG水凝膠在11天內降解，比HA-PEG水凝膠（19天）快，且降解時間可透過改變HA-DTPH含量進行調節。
（二）體內降解行為
將水凝膠皮下植入大鼠體內，觀察其體內降解行為。結果顯示，HA-SS-PEG水凝膠的降解速度（6周）明顯快於HA-PEG水凝膠（22周），其降解速度可透過調整HA-DTPH在水凝膠中的比例進行調節。
H&E染色顯示在植入1周後水凝膠與組織界面處有輕度炎癥反應，隨著水凝膠的降解炎癥逐漸減輕，表明水凝膠在體內具有良好的化石相容性。
六、研究結論
開發的水凝膠膠粘劑具有良好的組織粘附性、自愈合性、化石相容性和可調節的生物降解性，在無縫合傷口閉合、止血密封和防止手術中滲漏等方面具有潛在套用價值。
鄰苯二甲醛/胺（酰肼）反應可作為一種新的粘附化學用於組織膠粘劑的開發。
透過引入二硫鍵實作水凝膠的按需生物降解，為組織膠粘劑的個人化治療提供了可能。
七、一起來做做題吧
1、傳統傷口閉合方法存在的問題不包括以下哪項？
A. 操作耗時
B. 在緊急情況適用
C. 可能導致二次組織損傷
D. 可能導致液體或瓦斯泄漏
2、HA - PEG 水凝膠的形成過程中，下列哪種物質作為高活性交聯基團？
A. 己二酸酰肼
B. 鄰苯二甲醛
C. 透明質酸
D. 四臂聚乙二醇
3、以下關於 HA - PEG 水凝膠凝膠化時間的描述正確的是？
A. 隨著聚合物濃度增加，凝膠化時間增加
B. 當聚合物濃度為 7%（w/v）時，凝膠化時間比苯甲醛 / 酰肼交聯的水凝膠長
C. 在 pH 7.4 和 37°C 下，聚合物濃度為 10%（w/v）時凝膠化時間為min
D. 凝膠化時間與聚合物濃度無關
4、7%（w/v）的 OPA / 酰肼交聯的 HA - PEG 水凝膠與市售纖維蛋白膠相比，其組織粘附強度？
A. 更低
B. 相同
C. 更高
D. 無法比較
5、在大鼠肝臟出血模型中，HA - PEG 水凝膠止血時間與纖維蛋白膠組相比？
A. 更長
B. 相同
C. 更短
D. 無法比較
6、在大鼠全層皮膚切口模型中，HA - PEG 水凝膠閉合傷口後能抵抗外力的時間是？
A. 2 天
B. 7 天
C. 14 天
D. 20 天
7、以下關於兔全層皮膚切口模型中傷口組織學分析結果描述錯誤的是？
A. HA - PEG 水凝膠處理的傷口在第 10 天和第 20 天炎癥反應輕微
B. 未處理組在第 14 天的膠原水平高於 HA - PEG 水凝膠處理組
C. HA - PEG 水凝膠處理後 CD31 和 α - SMA 正常表達
D. HA - PEG 水凝膠處理的傷口在第 10 天傷口面積明顯減小
8、在體外含 5 mM GSH 的 PBS 中，HA - SS - PEG 水凝膠的降解時間是？
A. 1 天
B. 2 天
C. 11 天
D. 12 天
9、體內植入實驗中，HA - SS - PEG 水凝膠與 HA - PEG 水凝膠相比，降解速度？
A. 更慢
B. 相同
C. 更快
D. 無法比較
參考文獻：
Ren H, et al. Injectable, self-healing hydrogel adhesives with firm tissue adhesion and on-demand biodegradation for sutureless wound closure. Sci Adv. 2023 Aug 18;9(33):eadh4327.
