可注射、自修复水凝胶胶粘剂：无缝合伤口闭合的新突破
大家好，今天来了解一项可注射、自修复的水凝胶胶粘剂研究成果——《Injectable, self-healing hydrogel adhesives with firm tissue adhesion and on-demand biodegradation for sutureless wound closure》发表于《Science Advances》。在伤口处理领域，传统方法存在诸多局限，而这种新型胶粘剂带来了新的希望。它具有牢固的组织粘附性，能像强力胶水一样紧密贴合伤口；同时具备按需生物降解功能，可根据伤口愈合情况自动调整。接下来，让我们一起深入了解它是如何实现无缝合伤口闭合这一突破的。
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景
每年有数百万人遭受各种类型的伤口，传统的伤口闭合方法如缝合和钉合存在一些问题，如操作耗时、技术要求高，在紧急情况不适用，还可能导致二次组织损伤和液体或气体泄漏。组织胶粘剂作为一种替代或补充方法受到关注，但现有的胶粘剂存在组织粘附力弱、生物相容性不足和生物降解不可控等挑战。
二、水凝胶的合成与表征
（一）材料合成
合成了己二酸酰肼修饰的透明质酸（HA-ADH），其取代度为11.8%。
制备了邻苯二甲醛封端的四臂聚乙二醇（4aPEG-OPA），其末端OPA的修饰度为75%。
将HA-ADH与4aPEG-OPA在生理条件下以质量比1:1混合，无需催化剂即可形成HA-PEG水凝胶。
（二）凝胶形成机制
通过时间依赖性¹HNMR分析和密度泛函理论（DFT）计算表明，OPA与酰肼反应形成异吲哚双（半缩醛胺）（IBHA）杂环中间体，进一步脱水形成酰腙。
OPA与酰肼的反应能垒低于苯甲醛与酰肼的反应，说明OPA可作为快速形成水凝胶的高活性交联基团。
（三）水凝胶性能
凝胶化时间
采用小瓶倒置法评估凝胶化时间，在pH7.4和37°C下，随着聚合物浓度的增加，凝胶化时间缩短。
例如，当聚合物浓度为4%、7%和10%（w/v）时，HA-PEG水凝胶的凝胶化时间分别为2.0±0.1、1.5±0.2和1.3±0.1min，而苯甲醛/酰肼交联的水凝胶在相同条件下的凝胶化时间分别为231±6、89±1和49±1min。
微观结构
冷冻扫描电子显微镜（cryo-SEM）图像显示HA-PEG水凝胶具有多孔结构，有利于活性分子和细胞的运输。
流变学性能
时间扫描流变学测试表明，在交联过程中，4%-10%（w/v）的HA-PEG水凝胶的储能模量（G'）在0.5min内迅速超过损耗模量（G''），并在20min内达到平台期，表明系统具有弹性行为和快速形成水凝胶。
频率扫描流变学测试显示7%（w/v）的HA-PEG水凝胶在1-100Hz范围内G'几乎恒定。
应变扫描流变学测试表明水凝胶在应变1%-100%范围内表现出线性粘弹性，在应变超过100%时G迅速下降。
自愈合性能
将水凝胶切成两块并使其接触，20min后两块愈合为一块，且在重力作用下能保持完整性。
通过逐步应变流变学测试评估不同浓度水凝胶的自愈合性能，结果表明水凝胶在高应变下发生交联断裂，粘性行为占主导，应变降低后G'和G''值几乎完全恢复。
机械性能
随着聚合物浓度从4%增加到10%（w/v），水凝胶的抗压和抗拉强度分别从87.9±37.3kPa增加到326.4±87.8kPa和从7.1±0.7kPa增加到35.2±5.5kPa。
生物降解性能
将7%（w/v）的HA-PEG水凝胶在空白PBS和含透明质酸酶（10U/ml）的PBS中孵育，结果显示在空白PBS中40天内水凝胶因酰腙键逐渐断裂而膨胀并完全降解，在含透明质酸酶的PBS中11天内降解。
4%和10%（w/v）的HA-PEG水凝胶在含透明质酸酶的PBS中分别在8天和15天内降解，表明聚合物浓度增加可延长水凝胶降解时间。
生物相容性
采用CCK-8测定法评估前驱体聚合物HA-ADH和4aPEG-OPA对NIH3T3细胞的细胞相容性，结果显示在浓度0.0625-1mg/ml范围内细胞活力大于90%，表明无明显细胞毒性。
将HA-PEG水凝胶与NIH3T3成纤维细胞共培养3天，细胞活力与PBS组相当。
溶血试验结果显示水凝胶提取物的溶血率小于5%，表明水凝胶具有良好的血液相容性。
三、组织粘附性能和止血性能
（一）组织粘附强度
将水凝胶夹在两片猪皮之间，采用搭接剪切试验测量粘附强度。结果显示，聚合物浓度为4%、7%和10%（w/v）的水凝胶的粘附强度分别为18.0±1.8kPa、27.6±3.9kPa和30.3±4.6kPa，7%（w/v）的OPA/酰肼交联的HA-PEG水凝胶的粘附强度明显高于市售纤维蛋白胶和苯甲醛/酰肼交联的水凝胶。
通过将水凝胶应用于猪肠衣的孔洞进行爆破压力测试，结果显示聚合物浓度为4%、7%和10%（w/v）的水凝胶的爆破压力分别为67.8±20.5mmHg、171.9±31.8mmHg和296.4±47.0mmHg，7%和10%（w/v）的水凝胶的爆破压力明显高于纤维蛋白胶和人体正常动脉血压。
（二）粘附机制
通过cryo-SEM观察到猪肠衣与7%（w/v）的HA-PEG水凝胶之间形成紧密界面，DFT计算表明OPA与伯胺反应形成IBHA中间体，然后脱水并通过互变异构转化为邻苯二甲酰亚胺产物，该反应具有较高的能量释放，表明邻苯二甲酰亚胺键的稳定性。
基于酰腙键的动态交联网络为水凝胶提供了能量耗散能力，通过循环压缩试验验证了水凝胶的能量耗散能力。
（三）体外和体内组织粘附及止血效果
将7%（w/v）的HA-PEG水凝胶应用于猪皮、肝脏、心脏和肾脏等多种组织，结果显示水凝胶在拉伸、弯曲、扭转和水冲洗后仍能牢固粘附在组织上，并能实现紧密的切口闭合。
在体外血液凝固实验中，HA-PEG水凝胶的凝血时间为0.4±0.1min，明显短于纤维蛋白胶的1.1±0.5min。通过cryo-SEM观察到血小板和红细胞在水凝胶网内聚集。
在大鼠肝脏出血模型中，水凝胶在10s内实现止血，而纤维蛋白胶组的止血时间为134±0.5s，水凝胶组在3min内的失血量比未处理组减少了92.5%。
在兔股静脉和动脉出血模型中，水凝胶在30s内有效密封切口，防止出血。
四、全层皮肤切口的伤口闭合性能
（一）伤口闭合效果
在大鼠全层皮肤切口模型中，将HA-PEG水凝胶的前驱体溶液混合后应用于切口，2min内可有效闭合伤口，并能在外部拉伸和扭转力作用下保持伤口闭合，在伤口愈合过程中能抵抗皮肤的拉力达14天。
在兔全层皮肤切口模型中，HA-PEG和HA-SS-PEG水凝胶均能有效闭合伤口，抵抗皮肤拉力达20天，伤口愈合效果良好，瘢痕可忽略不计。
（二）组织学分析
在大鼠和兔全层皮肤切口模型中，对修复后的皮肤进行组织学分析，包括苏木精-伊红（H&E）染色和免疫组织化学染色。结果显示，与未处理组和纤维蛋白胶、氰基丙烯酸酯胶处理组相比，HA-PEG水凝胶处理的伤口在第7天和第14天的伤口面积明显减小，炎症反应轻微。
采用Masson’strichrome染色评估伤口处的胶原沉积，结果显示所有组在第7天到第14天胶原沉积增加，未处理组在第14天的胶原水平明显低于HA-PEG和缝合处理组。
通过CD31和α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）染色评估伤口处的血管生成和肌成纤维细胞分化，结果显示HA-PEG水凝胶处理后CD31和α-SMA正常表达。
五、按需生物降解性能
（一）水凝胶的合成与性能
合成了含二硫键的3,3'-二硫代双（丙酰肼）修饰的HA（HA-DTPH），并与4aPEG-OPA混合形成HA-SS-PEG水凝胶，其凝胶化时间、机械性能和组织粘附强度与HA-PEG水凝胶相当，且在体外具有良好的生物相容性。
在体外，将HA-SS-PEG水凝胶在不同介质中孵育，结果显示在空白PBS中30天内水凝胶持续膨胀，在含透明质酸酶（10U/ml）的PBS中12天内降解，在含1 mM和5 mM GSH的PBS中分别在2天和1天内降解。
在细胞培养基中，HA-SS-PEG水凝胶在11天内降解，比HA-PEG水凝胶（19天）快，且降解时间可通过改变HA-DTPH含量进行调节。
（二）体内降解行为
将水凝胶皮下植入大鼠体内，观察其体内降解行为。结果显示，HA-SS-PEG水凝胶的降解速度（6周）明显快于HA-PEG水凝胶（22周），其降解速度可通过调整HA-DTPH在水凝胶中的比例进行调节。
H&E染色显示在植入1周后水凝胶与组织界面处有轻度炎症反应，随着水凝胶的降解炎症逐渐减轻，表明水凝胶在体内具有良好的生物相容性。
六、研究结论
开发的水凝胶胶粘剂具有良好的组织粘附性、自愈合性、生物相容性和可调节的生物降解性，在无缝合伤口闭合、止血密封和防止手术中渗漏等方面具有潜在应用价值。
邻苯二甲醛/胺（酰肼）反应可作为一种新的粘附化学用于组织胶粘剂的开发。
通过引入二硫键实现水凝胶的按需生物降解，为组织胶粘剂的个性化治疗提供了可能。
七、一起来做做题吧
1、传统伤口闭合方法存在的问题不包括以下哪项？
A. 操作耗时
B. 在紧急情况适用
C. 可能导致二次组织损伤
D. 可能导致液体或气体泄漏
2、HA - PEG 水凝胶的形成过程中，下列哪种物质作为高活性交联基团？
A. 己二酸酰肼
B. 邻苯二甲醛
C. 透明质酸
D. 四臂聚乙二醇
3、以下关于 HA - PEG 水凝胶凝胶化时间的描述正确的是？
A. 随着聚合物浓度增加，凝胶化时间增加
B. 当聚合物浓度为 7%（w/v）时，凝胶化时间比苯甲醛 / 酰肼交联的水凝胶长
C. 在 pH 7.4 和 37°C 下，聚合物浓度为 10%（w/v）时凝胶化时间为min
D. 凝胶化时间与聚合物浓度无关
4、7%（w/v）的 OPA / 酰肼交联的 HA - PEG 水凝胶与市售纤维蛋白胶相比，其组织粘附强度？
A. 更低
B. 相同
C. 更高
D. 无法比较
5、在大鼠肝脏出血模型中，HA - PEG 水凝胶止血时间与纤维蛋白胶组相比？
A. 更长
B. 相同
C. 更短
D. 无法比较
6、在大鼠全层皮肤切口模型中，HA - PEG 水凝胶闭合伤口后能抵抗外力的时间是？
A. 2 天
B. 7 天
C. 14 天
D. 20 天
7、以下关于兔全层皮肤切口模型中伤口组织学分析结果描述错误的是？
A. HA - PEG 水凝胶处理的伤口在第 10 天和第 20 天炎症反应轻微
B. 未处理组在第 14 天的胶原水平高于 HA - PEG 水凝胶处理组
C. HA - PEG 水凝胶处理后 CD31 和 α - SMA 正常表达
D. HA - PEG 水凝胶处理的伤口在第 10 天伤口面积明显减小
8、在体外含 5 mM GSH 的 PBS 中，HA - SS - PEG 水凝胶的降解时间是？
A. 1 天
B. 2 天
C. 11 天
D. 12 天
9、体内植入实验中，HA - SS - PEG 水凝胶与 HA - PEG 水凝胶相比，降解速度？
A. 更慢
B. 相同
C. 更快
D. 无法比较
参考文献：
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.