近年来，水凝胶材料与生物组织的强韧粘接技术受到广泛关注。然而，对于新开发的水凝胶粘接剂和粘接技术，能否用于实际临床手术环境非常关键。如何将水凝胶应用于外科手术，进而研究水凝胶在生物体内的反应，改进水凝胶的材料设计，成为当下研究的热点。

  近日，西安交通大学第一附属医院吕毅教授、航天航空学院唐敬达副教授以及哈佛大学锁志刚教授等人，提出磁辅助-水凝胶粘接方法，成功应用于大动物的肝移植手术中, 术后动物恢复良好，血管完全愈合。研究成果以Adhesive anastomosis for organ transplantation为题发表在生物医学领域顶级期刊《Bioactive Materials》（影响因子14.593）。

血管缝合法与“磁辅助-水凝胶粘接”血管吻合法

  血管吻合技术从Alexis Carrel发明“三点式”血管缝合法后（1912年诺贝尔生理学或医学奖），至今已超过100年的历史。血管缝合法具有许多优势，但是操作复杂、缝合时间长。肝移植过程中，需要吻合三根大血管，吻合过程中下肢血液无法经肝脏回流到心脏，称为“无肝期”，无肝期越长，患者愈后越差。对于“争分夺秒”的肝脏移植手术来讲，传统“一针一线”式的手工缝合法显然无法满足医生和患者的需求，亟需一种新型的血管吻合技术。

  本工作使用强韧可降解水凝胶粘接技术，用于器官移植过程中的血管吻合。血管外翻后，该粘接技术作用于血管内皮以保证血管重建。初始阶段借助于两端血管磁环相互作用，使血流在短时间恢复流动；水凝胶粘接逐渐与血管内皮形成强共价键。撤去磁环后，水凝胶粘接维持正常血压。随着血管内皮的再生，水凝胶逐渐降解并最终完成血管重建（图1）。

图1. 传统血管缝合法与“磁辅助-水凝胶粘接”血管吻合法对比

  本文采用的水凝胶由双层网络组成（图2）：由钙离子交联的海藻酸钠网络和由二硫键交联的聚丙烯酰胺网络。胶水为壳聚糖、EDC/NHS 的水溶液， 使用时胶水施加在水凝胶与组织之间，促进共价键的形成。该水凝胶强韧粘接原理是：在 EDC/NHS 作用下，壳聚糖上的胺与组织和藻酸盐上的羧基形成肽键，壳聚糖充当组织和水凝胶之间的桥接聚合物。在剥离过程中，钙离子交联的海藻酸钠网络具有耗散作用，强粘接层与水凝胶耗散作用产生高粘接能。该水凝胶的降解原理是：体液中的钠离子与钙离子交换可以降解海藻酸钠的交联网络；体液中的还原作用如半胱氨酸与二硫键反应可以降解聚丙烯酰胺的交联网络。本文重点介绍这种水凝胶在血管吻合术中的应用。

图2. 强韧、可降解水凝胶与生物组织的粘接及降解原理

  作者首先开展了体外实验，测量了水凝胶与血管组织的粘接强度，耐水流测试、爆破压测试，吻合时间测试。

图 3. 磁辅助血管吻合体外实验 (A) 各种常见组织粘接剂与猪血管的粘接强度Lap shear 测试与 (B) 180度剥离测试 (C) 粘接强度随压迫时间的变化 (D) 使用的磁环、垫圈与水凝胶 (E) 磁辅助血管吻合体外实验操作步骤 (F) 各种常见组织粘接剂血管端对端粘接强度 (G) 粘接后的血管在50 毫米汞柱压力的水流中维持24小时后保持正常 (H) 爆破压力测试装置 (I) 完成粘接的血管无需缝合可承受~160 mm Hg 压力，稀疏缝合时可承受~200 mm Hg 压力 (J) 临床血管吻合对吻合口的密集缝线 (K) 水凝胶粘接血管吻合术和传统缝合吻合术的操作时间比较。血管端端吻合进行一次吻合，血管移植时需进行两侧吻合。

  本研究发现水凝胶对人脐静脉内皮细胞没有毒性，不会引起人外周血单核细胞的炎症反应发生，在动物体内的组织相容性良好，放置一个月后水凝胶可以完全降解，动物组织可以完全愈合。

图 4. 水凝胶的细胞毒性、生物相容性以及动物体内可降解性 (A) 水凝胶浸提液作用于人脐静脉内皮细胞（HUVEC）后的免疫荧光图像 (B) 不同浓度水凝胶浸提液对HUVEC 的存活率影响 (C) 水凝胶浸提液对人外周血单核细胞 (PBMC)炎症反应的影响 (D) 水凝胶的大鼠皮下埋植实验 (E) 皮下炎症的量化结果 (F) 水凝胶降解对大鼠肌肉组织愈合的影响 (G) 降解过程中水凝胶面积的量化结果。

图 5. “磁辅助-水凝胶粘接”在肝脏移植中的应用 (A) 大动物肝脏移植模型 (B) 磁辅助-水凝胶粘接血管吻合手术过程 (C) 术后血管吻合口超声检查 (D) 术后一周大动物肝脏功能恢复情况 (E) (F) (G)对大动物进行尸体解剖，血管吻合口标本展示 (H) 吻合口标本电镜检查及HE染色结果。

  本研究在大动物肝脏移植模型上成功实现了磁辅助-水凝胶粘接血管吻合，术后实验动物恢复良好，肝功能在第8天完全恢复正常。术后38天，对动物尸体进行解剖，结果表明磁辅助-水凝胶吻合的血管完全愈合，无狭窄或血栓等并发症发生。

  论文第一作者为西安交通大学2018级外科学博士刘康（现就职于西安交通大学第一附属医院），共同第一作者为西安交通大学航天航空学院硕士生杨航（现为哈佛大学在读博士）以及西安交通大学2019级外科学硕士生黄高铂。通讯作者为哈佛大学锁志刚教授、西安交通大学唐敬达副教授和西安交通大学第一附属医院吕毅教授。Bioactive Materials为生物医学领域顶级期刊，最新影响因子为14.593。

  该研究受“陕西省2020年重点研发计划”项目、国家自然科学基金面上项目资助，苏州茵络医疗器械有限公司及苏州凝智新材料发展有限公司提供技术支持。

  论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X21005247

通讯作者介绍

锁志刚

美国工程院院士，美国科学院院士

锁志刚教授，国际著名力学家，哈佛大学终身教授，美国科学院院士、工程院院士。1985年，本科毕业于西安交通大学力学系。1989年，在美国哈佛大学获博士学位。在力学与材料科学的诸多领域开展了广泛研究，在Nature, Science 等期刊上发表论文460余篇，Google引用67000余次，H因子136。近年来，在水凝胶等软材料领域做出了开创性贡献。

唐敬达

西安交通大学航天航空学院副教授，博士生导师

唐敬达，西安交通大学副教授，博士生导师。北京大学与哈佛大学联合培养博士（导师方岱宁院士和锁志刚院士），2017年进入西安交通大学航天航空学院工作，当年入选“博新计划”。在软物质力学领域开展研究，发表论文30余篇，其中以第一/通讯作者发表在Cell姊妹刊Matter, Adv. Funct. Mater., J. Mech. Phys. Solids, ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上。

吕毅

西安交通大学第一附属医院院长，教授，博士生导师

吕毅，主任医师、教授，博士研究生导师。享受国务院特殊津贴专家，著名肝胆外科专家，教育部创新团队学科带头人，卫生部有突出贡献中青年专家，陕西省“三秦学者”特聘教授，“西安市十佳创新人物”，美国外科医师协会（ACS）FELLOW。西安交通大学医工结合创新研究平台——外科梦工场创始人。现任西安交通大学校长助理、医学部副主任，西安交通大学第一附属医院院长、党委副书记，精准外科与再生医学国家地方联合工程研究中心主任。