西安交大郭保林教授团队 Nano Today：可用于胃修复的即时湿粘性和抗溶胀Janus水凝胶密封剂

2024-02-18 来源：高分子科技

胃穿孔是胃酸分泌过多或胃部自我保护能力过强导致的腹部疾病之一，可诱发胃功能障碍及出血、梗阻、腹膜炎、感染性休克等多种并发症。因此，胃穿孔及其并发症给患者和医疗系统带来了多重负担。目前最常用的胃穿孔治疗策略包括手术和由聚合物制成的可生物降解缝合线缝合，而缝合带来闭合不完全、腹膜炎高风险和术后粘连等并发症也不容忽视。所以组织密封剂作为缝合线的替代品或辅助手段来修复胃穿孔引起了人们的广泛关注。

受贻贝启发，郭保林教授团队设计并开发了一种具有不对称结构的水凝胶密封剂，其具有即时湿粘性和抗溶胀行为，能够用于胃穿孔修复，并降低术后粘连及并发症的风险。该水凝胶基于聚丙烯酸（PAA）、明胶（GT）和邻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交联，明胶（GT）由超支化聚合物与邻苯二酚改性（HBPC）交联，进而通过一侧与阳离子聚合物络合而形成不对称结构。PAA和GT在水中形成的强物理相互作用增强了凝胶的机械强度。并且该水凝胶表现出良好的抗溶胀行为，规避了传统水凝胶因溶胀而产生的局限性。水凝胶中疏水组分诱导的水排出以及PAA的亲水性协同作用，增强了湿附着性。其PAA中羧基的pH响应质子化使水凝胶具有极强的耐酸性。体内实验结果显示，这种不对称胶粘水凝胶有助于胃穿孔的修复，并减少了术后组织粘连的风险，为用于胃部密封和修复的生物胶粘剂的开发提供了思路。

上述工作以“A Janus hydrogel sealant with instant wet adhesion and anti-swelling behavior for gastric perforation repair”为题，在《Nano Today》上发表。文章通讯作者为西安交通大学郭保林教授。

论文亮点

1.该文章通过表面改性成功制备了具有不对称结构、瞬间湿粘/抗溶胀行为的水凝胶密封剂，该不对称密封剂作为缝合的辅助剂促进了胃穿孔的愈合，并显著减少了术后组织的粘连。

2. 具有pH依赖的粘附性和耐酸性水凝胶在去离子水中表现出增强的机械强度。

图1. Janus水凝胶密封剂的设计示意图，该密封剂具有即时湿粘附和抗溶胀行为，用于胃穿孔修复。（a）HBPC制备中的Michael加成反应过程。（b）不对称结构粘附水凝胶的制备方案。（c）传统水凝胶在浸入水或极端酸性条件的液体中时具有明显的溶胀行为。（d）具有抗溶胀行为的Janus水凝胶密封剂。疏水性相分离赋予水凝胶抗溶胀行为。水凝胶浸泡在水中时，由于PAA和GT之间形成物理相互作用而表现出增强的机械强度。（e）可用于胃穿孔修复，具有即时湿粘附力的Janus水凝胶密封剂的示意图。排水和随后对残留水分的吸收使得其在湿组织上具有很强的粘附力。

图2. 水凝胶在去离子水中的溶胀行为和增强的拉伸强度。水凝胶在水中浸泡一定时间（n=3）后的图像（a）和溶胀率（b）。不同处理下水凝胶的应变-应力曲线（c）、断裂应力和应变（d）（n=6）。

图3. 水凝胶的理化性质。（a）水凝胶在PBS中浸泡72小时后的溶胀率（n=3）。（b）PBS中水凝胶的降解率（n=3）。（c）样品在极端酸性条件和PBS（n=3）中的溶胀率。水凝胶浸泡在极端酸（d）和PBS（e）溶液中的应变-应力曲线。（f）样品在一定时间下SGF中的溶胀率（n=3）。用极端酸（g）和PBS（h）溶液处理的凝胶的断裂应力和应变（n=6）。

图4. 水凝胶的粘附能力。水凝胶在（a）猪皮肤组织、（b）皮下脂肪、（c）具有水合层的猪皮肤组织、（d）猪肌肉和（e）猪胃上的粘附强度（n=10）。（f）不同处理的水凝胶在猪皮肤和胃组织中的粘附强度（n=10）。（g）水凝胶在不同基材上的粘附展示。

图5. 水凝胶的流变特性。（a）水凝胶的角频率扫描曲线。（b）应变振幅扫描（左）和应变固定在水凝胶1%的时间扫描（右）。（c）水凝胶的流变自愈合能力，应变从1%到400%，持续5个循环。（d）水凝胶从4-60°C变化时的温度扫描曲线。（e）温度从25°C到37°C切换时水凝胶的交替应变时间扫描曲线。（f）水凝胶的原始、断裂、横截面、自支撑、愈合和拉伸状态的图像。（g）水凝胶在基材上随温度变化的粘附行为的展示。

图6. 水凝胶的不对称性质。（a）水凝胶在Cos（2 wt%）中浸泡一定时间后的应变-应力曲线。（b）水凝胶在Cos（2 wt%）中浸泡一定时间后的断裂应力和应变。24-24代表将水凝胶浸入Cos中24小时，然后再浸入水中24小时（n=6）。不对称处理的水凝胶表面（c）和横截面（d）的SEM图像。（e）180°剥离测试示意图。用Cos不对称处理的水凝胶在猪皮（f）和胃的血清肌肉层（g）上的界面强度（n=10）。

图7. Janus水凝胶贴片胃穿孔修复的评估。（a）密封胃穿孔策略的示意图和照片。用网膜和水凝胶治疗后第7、14和21天胃伤口的图像（b）和H&E染色（c）。红色星号表示松散的纤维组织，红色箭头表示组织上残留的水凝胶。

图8. 水凝胶作为胃穿孔修复密封剂的组织学评估。Masson的三色染色（a）和PCNA（深棕色细胞核）免疫组织化学染色（b）用于处理一定时间后收获的组织。对处理一定时间后收获组织的CD68（c）和CD31（d）进行免疫荧光染色。PCNA染色（e）、CD68染色（f）和CD31染色（g）的定量结果。红色星号表示松散的纤维组织，红色箭头表示组织上残留的水凝胶。

综上所述，文章研制了一种结构不对称、瞬间湿粘附、抗溶胀行为的粘性水凝胶，用于胃穿孔修复。PAA和GT在浸入水中时形成的强烈物理相互作用使水凝胶具有增强的机械强度。此外，PAA和GT与HBPC中疏水链段之间的强物理相互作用协同限制了水凝胶的溶胀行为，避免了传统水凝胶因溶胀而导致的内聚力和粘附力下降。此外，PAA中羧基的pH依赖性质子化使水凝胶在极端酸性环境下具有耐受性和pH依赖性粘附。更重要的是，网络中疏水链段的排水作用与亲水性PAA的水化作用相结合，协同去除了湿表面的水化层，有助于增强凝胶瞬间湿粘附性。所有这些特性都表明了Janus水凝胶在内部组织修复中的应用前景。体内胃穿孔修复评估结果表明，不对称粘附水凝胶可以通过加速炎症向增殖期的转变来促进穿孔的愈合过程，降低术后组织粘连的风险。上述特性表明Janus水凝胶密封剂可以为开发用于内脏或组织修复的生物粘合剂提供有用的见解。

文章链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013223003547

郭保林课题组简介：https://gr.xjtu.edu.cn/web/baoling/home

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻