粘附性水凝胶作为组织粘合剂、外科密封剂和止血材料具有巨大的应用潜力。然而，开发能够在潮湿、动态的生物组织上快速可控发挥粘附作用的水凝胶材料是一个巨大的挑战。近日，一篇名为“Coacervation-triggered hierarchically assembled hydrogels with application as surgical sealant”的文章由郑州大学郭钟伟副研究员和清华大学孙伟教授等在Biofabrication (IF=11.06)上发表。研究开发了一种凝聚作用触发的成型策略，使重组人胶原蛋白（RHC）和单宁酸（TA）能够进行分层组装，该策略制备的水凝胶具有作为手术密封材料的多种优良性能，包括快速凝胶时间(<10s)、凝血时间(<60s)、超拉伸性(应变>10000%)、强粘附力(粘附强度>250 kPa)。最后成功应用于心脏和肝脏组织的牢固粘附和密封。这项工作为生物医学应用提供了一种在潮湿和动态生物环境中极具前景的水凝胶基外科密封剂。
技术路线
图1. 基于RHC和TA分子凝聚作用的快速交联、高粘附、超拉伸、止血水凝胶的设计策略。
实验结果
图2. 基于分子动力学模拟的方法预测RHC与TA分子的相互作用。 在开始实验之前，作者首先利用分子动力学模拟的方法来证明RHC和TA可能通过物理相互作用形成组装复合体的假设（图2）。通过分子建模的方法构建RHC与TA分子的三维结构，并通过GROMACS进行优化，随后将二者在进行混合，结果显示RHC和TA分子在整个20 ns过程中紧密结合而没有分离，表明它们之间有很强的相互作用。
图3. RHC与TA分子相互作用的实验验证。 为了验证分子动力学模拟结果的准确性，作者设计了相关实验进行证明（图3）。RHC和TA溶液在混合前均保持透明的溶液状态，随着二者的混合，溶液逐渐变成乳白色并有沉淀缓慢形成。通过SEM分析，结果显示RHC在混合步骤前表现出松散的颗粒结构，而TA分子的掺入使得RHC形成致密的块状结构。UV-vis结果显示，在加入RHC后，TA分子在280 nm处的特征吸收峰明显可见，并保持不变，说明苯酚基没有被氧化。不同组成的混合物的FT-IR光谱所示，随着TA的掺入，吸收峰明显降低，这可能与RHC与TA之间的氢键作用有关。
图4. RHC-TA水凝胶的合成与表征。 通过调节RHC与TA的浓度，RHC与TA可形成微黄色水凝胶（图４）。作者随后进行了一系列的液态-凝胶态相变实验。结果显示，凝聚复合体可从液体（灰色区域）、颗粒状聚集（绿色区域）到网状聚集（松散、黄色区域）和网状聚集（密集、红色区域）发生递进转变，最多有四个组装阶段。利用荧光显微镜描述了通过过渡阶段的形态变化，颗粒状聚集体呈随机分散的块状角结构。
图５. RHC-TA水凝胶的流变、可塑性、可变形、自愈合特性。 如图５显示，RHC-TA水凝胶具有非常优越的“液－固”粘弹性特征，一块球形RHC-TA水凝胶可以被加工成各种形状，包括球形、立方体、三角形、矩形、花朵、房屋等。
图６. RHC-TA水凝胶的力学特征。 得益于动态和可逆的物理交联网络，RHC-TA水凝胶表现出了优异的机械性能（图6）。比如超可拉伸性能。由于高加工性和灵活性，拉伸的灯丝可以像普通线一样绕着收集杆旋转，成功制作了500、300和150μm不同直径的直线细丝。当拉伸水凝胶时，RHC和TA之间的动态和可逆的物理相互作用通过解压缩分层纤维结构的交联点，提供了一个有效的能量耗散函数。通过拉伸和压缩试验得到的应力-应变曲线所示，RHC-TA水凝胶具有良好的力学性能。RHC-TA水凝胶的这些特性在伤口密封和组织粘附方面具有良好的潜力。
图７. RHC-TA水凝胶的体外粘附和止血性能。 受到海洋贻贝粘附过程的启发，RHC-TA水凝胶的触发过程模拟了其中的层次结构，合成了具有优越湿粘附能力的原位凝胶体系（图７），并展现出了牢固的粘合强度和快速止血能力，为进一步的体内实验打好了基础。
图8. RHC-TA水凝胶在水下、动态环境中的粘附性能展示。 为了测试RHC-TA水凝胶是否在湿润环境中能否保持较高的粘附能力，本实验采用了RHC-TA水凝胶在水下环境中对心脏、肝、肺肌、骨、皮肤等不同的生物组织进行粘附测试，均表现出紧密的粘附能力（图８）。SEM图像显示RHC-TA水凝胶与组织之间的粘附界面紧密连接。
图9. RHC-TA水凝胶作为手术密封胶在大鼠心脏出血模型中的体内评价。 在大鼠心脏出血模型中使用RHC-TA水凝胶作为手术密封剂进行测试（图９）。将RHC和TA溶液在心脏出血部位进行原位混合成胶，以防止致命的血液渗漏。H&E染色显示，移植后7天，水凝胶与心脏组织表面粘附紧密，证实了其强而稳定的密封效果。体外粘附试验表明，RHC-TA水凝胶在心脏组织上具有良好的粘附强度。对早期介入后生存数据的log rank分析显示，RHC-TA水凝胶治疗组与对照组相比有显著改善，表明水凝胶具有停止致命出血和维持正常生理功能的潜力。第3天和第7天的免疫染色显示，仅在第3天的时间点才有少量的局部淋巴细胞浸润（CD3）和巨噬细胞（CD68），但在第7天消失。随后的大鼠肝脏出血模型也显示出了良好的结果。
结论与展望
在这项研究中，作者模拟了天然材料的凝聚过程和分层组装结构，通过引入RHC和TA分子，首次开发了一种非常有前途的水凝胶基手术密封胶。通过调节二者凝聚过程的参数，RHC和TA组装体的构象从颗粒状聚集体演变为网状聚集体（松散）和网状聚集体（致密），伴随着机械和粘附性能的显著增强。由此得到的分层结构水凝胶显示出了几个关键特征，满足潜在的手术密封胶的要求：(1)易于加工和操作，(2)快速的凝胶和止血能力，(3)强大的机械和坚韧的粘附性能，(4)超拉伸和自愈合能力，(5)良好的生物相容性。由于上述特性，水凝胶成功地应用于原位切口部位，并迅速凝聚，以在潮湿和动态的生物环境中实现强大的粘附。此外，RHC和TA本身都具有良好的生物相容性，且不需要额外的引发剂或交联剂。本研究提出了一种手术密封胶，可广泛应用于体内生物组织的粘附，为水凝胶结构设计提供了科学和应用基础。
参考文献
Zhongwei Guo, Zunghang Wei, Wei Sun. Coacervation-triggered hierarchically assembled hydrogels with application as surgical sealant. Biofabrication 15 (2023) 035021.
https://doi.org/10.1088/1758-5090/acdc55
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