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北理工陈煜/积水潭医院李波 CEJ: 仿蜗牛粘液强粘附水凝胶髓内钉止血涂层
2025-02-05  来源:高分子科技

随着全球老龄化加剧,股骨骨折发生率逐年上升,髓内钉固定术成为治疗骨折的常用方法。然而,此过程常伴随骨髓腔血管损伤,导致显著的隐性出血。水凝胶作为止血材料面临粘附力、力学强度和韧性之间的平衡挑战。针对这一问题,北京理工大学陈煜团队与积水潭医院李波团队合作开发了一种双网络水凝胶(CGC/P)。该水凝胶通过葡萄糖酸内酯(GDL)与羧甲基壳聚糖(CMCS)的结合,增强了水凝胶的粘附性,并通过调节pH形成动态交联网络,结合PAM化学交联进一步提升了力学性能。水凝胶涂层在兔子股骨髓内钉手术中展现了显著的止血效果,并促进了骨生成,提供了水凝胶在止血涂层中的创新应用解决方案。


1 CGC/P水凝胶的设计与制备。(a) CGC/P水凝胶制备工艺示意图;(b) GDLCMCS反应示意图;(c) GDL的作用机制。


  本研究受到蜗牛粘液网状结构和脱水诱导粘附增强策略的启发,开发了CMCS-GDL-Ca2+/PAMCGC/P)双网络水凝胶用于止血涂层(图1GDL通过氨基化反应与CMCS结合,一方面释放的H+促进Ca2+Ca(OH)2中解离,形成动态的物理交联网络;另一方面GDL引入的羟基基团通过增强氢键作用,提高了水凝胶的粘附性能,模拟蜗牛粘液中由离子协调、电荷相互作用和氢键形成的粘附网络。此外,通过MBA交联的PAM网络提升了水凝胶的力学强度和稳定性。最后,通过脱水诱导增强的方法,进一步增强粘附。


  CGC/P水凝胶通过双网络耗散结构显著提升了力学性能,水凝胶在反复压缩和自愈性能方面也表现出色,能够承受高达95%的压缩,且保持稳定的力学强度。这使得水凝胶在髓内钉植入过程中能够保持结构完整性,抵抗外部力学作用。
CGC/P水凝胶的粘附性随着GDL含量的增加显著增强。在脱水过程中,水凝胶的粘附强度最大可增强50.14倍,达到626.75 kPa(图2)。GDL通过增强氢键作用和调节表面亲疏水性,显著提高了水凝胶与金属表面之间的粘附力,使其能够牢固附着于髓内钉表面,有效防止植入过程中的涂层脱落。经过多次循环后,水凝胶仍保持稳定的粘附强度,展示了其优异的稳定性。


水凝胶在钛合金片上的剪切粘附性能。


  CGC/P双网络水凝胶在体内外均展示了优异的生物相容性和止血性能。其凝血指数(BCI)在60秒内降至25%以下,180秒降至11.15%,显著优于市售止血纱布和明胶海绵。此外,CGC/P水凝胶在促进血小板和红细胞吸附方面表现突出,分别达到87.64%84.76%,表现出卓越的止血效果。在新西兰白兔股骨髓内钉植入实验中,CGC/P涂层通过迅速吸收血液并封闭出血点有效减少了出血量(图3)。Micro-CT扫描和组织学分析进一步表明,CGC/P水凝胶不仅具有良好的生物安全性,还能促进骨的再生(图4)。


图3 水凝胶体内止血试验。


髓内钉种植体周围骨再生的评价。


  CGC/P双网络水凝胶凭借其优异的力学性能、粘附力、止血效果和促进骨愈合的潜力,为髓内钉等骨科治疗提供了一种创新的解决方案,在临床前测试中展现了良好的应用潜力,未来有望成为骨科手术中理想的止血材料。


  该成果以“A multifunctional highly adhesive hydrogel mimicking snail mucus for hemostatic coating”为题,发表在Chemical Engineering Journal期刊上。北京理工大学材料学院2021级博士研究生袁晶晶为第一作者,材料学院陈煜教授和积水潭医院李波博士为论文共同通讯作者。该工作受到国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目的资金支持。


  论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S138589472500909X

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(责任编辑:xu)
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