麦吉尔大学李剑宇《Nat. Commun.》：新型固液混合微结构化的生物粘合剂治疗不可压迫大出血

2022-09-07 来源：高分子科技

不可控大出血手术和创伤性损伤中致病致死的主要原因。快速有效的出血控制至关重要，但实现起来仍然具有严峻挑战。目前的止血技术主要依赖于血液自身的凝固机制，其起效缓慢并且产生的血凝块机械性能脆弱。这种方法也不适用于患有先天性、疾病相关、或药物引起的止血功能障碍的患者。生物粘合剂越来越多地用作止血密封剂，其可通过物理阻塞来封堵出血部位。然而，它们在实施过程中通常需要施压以去除界面血液，否则无法获得生物粘附和止血作用，也因此排除了它们用于治疗不可压迫大出血的治疗。对不可压迫大出血的管理仍然存在未满足的临床需求，因此需要进行范式转换设计。

为了克服这些困难，加拿大麦吉尔大学李剑宇教授联手英属哥伦比亚大学Christian Kastrup 教授课题组，报告了一种新型微结构止血粘合剂，称为“液体注入微结构生物粘合剂（LIMB）”，它可以实现无压迫的生物粘接和出色的止血性能。LIMB 由注入功能液体的大孔坚韧干凝胶制成。干凝胶能快速吸收全血等界面液体，促进血液凝固，而注入的液体则有利于界面粘合、密封和抗菌功能。它们的协同作用使 LIMB 能够在离体人类和猪组织以及各种工程表面上形成坚韧的粘附力，而无需压缩，其同时具有按需即时揭除和储存稳定性。研究证明，与非结构化对应物和商业产品相比，LIMB 可以显着改善大鼠和猪的止血功效和生物相容性。这项工作为生物粘合剂和止血密封剂的开发开辟了新途径。

LIMB 基质由包含共价交联聚丙烯酰胺（PAAm）和物理交联壳聚糖（chitosan）的大孔干凝胶形成，通过冷冻干燥或冷冻交联产生孔。LIMB在磷酸盐缓冲盐水 (PBS) 中达到溶胀平衡后，表现出较高的断裂能 (>1500 J m^-2) 和较大的变形能力（破坏应变 > 600%）。这些特性超过了软组织和器官，例如软骨和血管。LIMB 对小于 5 mm 的裂纹也不敏感，这意味着其中的大孔（~200-400 微米）不会降低其机械性能。另一个重要的机械性能是刚度，它决定了 LIMB 与组织表面的一致性。LIMB 在使用中表现出 20-70 kPa 之间的可调刚度，允许与组织紧密接触而不会引起机械应力，同时在溶胀平衡刚度会进一步降低。

图1：受生物启发的LIMB设计思路。

LIMB 的大孔可以快速吸收界面流体，这是形成粘附的关键。研究发现，当界面流体的厚度约为 250 微米时，LIMB 在15秒内便可产生粘附。相比之下，传统的生物粘合剂在 420 秒内无法形成粘附。LIMB 还可以在不施加压迫的情况下，与各种组织及工程材料实现强力和光谱的粘附。无论使用中是否加压，其可与暴露在血液中的人体主动脉、猪肝、心脏和皮肤形成了极其坚韧的粘接，粘附力明显优于纤维蛋白胶和医用胶带 (10-20 J m^-2)。

LIMB 的独特设计还有助于解决对于实用性和存储性等重要临床转换挑战。由于功能性液体对LIMB基质具有化学惰性，LIMB 可在 -80℃（通常用于储存治疗剂和化学品的温度）下长期稳定储存。研究人员检查了存储不同时间后的LIMB ，在不施加压力的情况对血液覆盖的肝脏的粘附性能，发现 LIMB 在存储90 天内保持高度粘附性。LIMB 易于使用和储存，保质期长，具有转化潜力。

图2：LIMB无需加压的粘接性，以及灌注液对粘接性、抗菌功能和可用性的影响。

研究人员随后使用多种大出血动物模型对LIMB的止血功效进行评估。在大鼠肝脏不可压缩出血模型（直径 4 毫米，深度 3 毫米，体积缺损）中用作植入式止血剂时，LIMB 表现出低失血量（99.8 毫克）和快速止血时间（31.5 秒），与市售止血明胶海绵 SURGIFOAM 的 517.1 mg 和 165.8 s 形成鲜明对比。LIMB 在植入大鼠 2 周后还表现出非常轻微的异物反应、最小的炎症和过敏反应。在大鼠肝脏深窄切口模型（长 7 毫米，深 3 毫米）中，与传统的生物粘合剂、标准纱布和商用产品（Combat Gauze）相比，LIMB 显着减少了失血。在猪肝切口模型（长 15 毫米和深 10 毫米）中，纱布和 LIMB 的平均失血量分别为 69.5 和 17.1 毫升。用 LIMB 治疗的 6 只猪中有 4 只在 10 分钟内完全止血，但用普通纱布治疗的 7 只猪中只有 2 只成功。

LIMB 可以根据需要即时安全地去除，这是现有生物粘合剂尚未实现的功能。在使用后的前两分钟内，粘附主要来自LIMB干孔的毛细吸力，其可通过用盐水（0.9% NaCl）润湿轻易地抑制这些物理相互作用。研究表明，LIMB 可以在润湿后立即从受伤的肝脏上安全剥离。超过这个时间窗口，LIMB 仍然可以用去除剂去除，以切割在界面处形成的化学键。作者证明了低浓度乙酸可以快速溶解界面和 LIMB 内的壳聚糖网络，这是导致湿粘附的主要因素，因此破坏壳聚糖网络后LIMB可以瞬间移除。所用的乙酸溶液浓度低（0.1 M），使用后可以用盐水快速中和，移除 LIMB 后未观察到再出血。

图3：体内验证LIMB对于出血控制的安全性和有效性。

总而言之，研究人员通过利用仿生结构、坚韧的粘合剂和液体渗透描述了一种新的止血生物粘合剂设计。由此产生的微结构生物粘合剂可以与生物污染表面形成即时且牢固的粘合，而无需压缩。生物粘合剂可生物降解，易于实施，可长期储存。粘合剂的功能很容易通过注入的功能液体进行调节。与几种现有的止血剂和生物粘合剂相比，它们显示出优异的生物相容性和止血功效，在小型和大型动物模型中减少不可压迫和深窄大出血中得到验证。作者预计，所报告的设计原则和材料系统将促进生物粘合剂和止血材料的开发和转化，以控制出血和先进的外科护理。

该研究进展以Liquid-infused microstructured bioadhesives halt non-compressible hemorrhage为题发表在Nature Communications。该工作的第一作者是麦吉尔大学机械系博士鲍光宇，主要通讯作者是麦吉尔大学加拿大研究讲席教授李剑宇教授。

论文链接（开放获取）：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32803-1

李剑宇教授团队致力于新型生物材料设计开发和机理研究。研究方向包括软物质力学、生物粘合剂、再生医学、止血材料、手术器械和智能设备开发。目前李剑宇教授在招聘具有止血材料、血管介入器械、血液学相关背景的博士后，欢迎联系(jianyu.li@mcgill.ca)。

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