《PNAS》西交卢同庆、哈佛锁志刚院士：用于伤口闭合的水凝胶-网状复合材料

【意义】

许多手术需要将手术网牢固地固定在目标区域，以加强组织、支撑器官或修复伤口。常见的连接方法包括缝合、钉书钉和螺旋钉，但它们会损坏组织并延长手术时间。粘附被认为是将手术网片附着到组织的一种有前途的替代方法，但现有的粘附方法对于大多数应用来说太弱了。最近，西安交通大学卢同庆教授、哈佛大学锁志刚院士团队共同开发了水凝胶和手术网的复合材料，可以牢固而稳定地粘附在组织上。团队展示了水凝胶-网状复合材料在伤口闭合中的应用，特别是在高压或大张力下的组织上。相关论文以题为Hydrogel–mesh composite for wound closure发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上。

【摘要】

团队通过开发称为水凝胶-网状复合材料 (HMC) 的材料家族，可以显着拓宽手术网的功能。HMCs 保留了手术网的所有属性，并增加了一个：对组织的粘附。通过用前体浸泡手术网来制造 HMC，在固化后，前体形成水凝胶的聚合物网络，与手术网的纤维发生宏观拓扑纠缠。在手术中，HMC 被压到组织上，水凝胶中的聚合物与组织形成共价键。为了演示这个概念，团队使用了聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）/壳聚糖水凝胶和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）手术网。在生物偶联剂存在下，壳聚糖与组织形成共价键，粘附能达到100 J·m^-2以上。在体温下，PNIPAAm 变得疏水，因此水凝胶不会膨胀并且粘附稳定。与缝合手术网相比，HMC 将力分布在大面积上。进行体外实验以研究 HMC 在伤口闭合中的应用，特别是在高机械应力下的组织上。在绵羊的手术中进一步研究了 HMCs 在动态活组织上的性能。

【图文解析】

水凝胶具有两种类型的长聚合物链：I 型聚合物形成共价网络，II 型聚合物带有用于粘附到组织的官能团（图 1A）。为了从组织剥离 HMC，II 型聚合物和组织之间的强键将力传递到 I 型聚合物的共价网络中。

图1 水凝胶-网状复合材料（HMC）的设计和潜在优势。

当 HMC 用于闭合伤口时，手术网作为骨架在张力下分配力（图 1B）。相比之下，缝合伤口闭合会导致组织中的应力集中（图 1C）。另请注意，水凝胶本身通常太弱，无法抵抗大的张力（图 1D）。此外，水凝胶中的微孔以及手术网片中的大孔使水和其他小分子能够在 HMC 中迁移，因此 HMC 可用作组织再生的支架和载体用于药物输送。HMC 将拓宽外科网片在组织修复、密封、止血和伤口闭合方面的应用，特别是在高机械应力下的组织上。

团队使用特定的材料系统制造 HMC。由聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 长丝编织而成的手术网布，孔径约为 50 μm，置于玻璃模具中。壳聚糖聚合物链混合在聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）水凝胶的前体中。当前体倒入模具中时，溶液会渗入手术网的孔中。响应紫外线 (UV) 光，NIPAAm 单体聚合成网络（图 2A）。PNIPAAm 网络与壳聚糖链形成分子间物理缠结，并与 PET 细丝形成宏观拓扑缠结。HMC 集成了壳聚糖链、PNIPAAm 网络和 PET 网。该复合材料有望具有良好的生物相容性。

图2 一种水凝胶-网状复合材料 (HMC)，其中水凝胶具有两种类型的长聚合物：PNIPAAm（I 型）和壳聚糖（II 型）。

团队使用 EDC/NHS 偶联剂的水溶液将 HMC 粘附到组织上。壳聚糖链上的氨基（-NH₂）与组织上的羧基（-COOH）形成共价键（图2B）。在体温下与组织接触，PNIPAAm 网络收缩并抵抗膨胀（图 2C）。伤口闭合贴片应具有大的弯曲顺应性以符合器官的曲面，并应具有大的拉伸刚度以抵抗组织张力。 水凝胶本身易于弯曲和拉伸。相比之下，HMC 具有较大的弯曲柔量和拉伸刚度（图 2D）。

团队将一块带有 2 厘米直径孔的猪肝脏安装到一个腔室中，并在肝脏上粘附一个厚度为 500 微米的 HMC 以覆盖孔（图 3A）。当注射器将液体泵入腔室时，HMC 会膨胀（图 3B）。相比之下，在没有网孔的情况下通过粘附相同厚度 (500 μm) 的 PNIPAAm/壳聚糖水凝胶来覆盖孔时，爆破压力为 12 毫米汞柱。水凝胶破裂，但粘附完好（图 3C）。与完整的肝片相比，粘附的样品具有类似的拉伸强度，约为 270 kPa。然而，当两个肝瓣被一块相同厚度（500 μm）的纯水凝胶桥接时，样品在~20 kPa 的应力下破裂（图 3D）。

图3 HMC 的机械测试粘附在受伤的组织上。

团队评估了 HMC 对三种组织创伤的止血和即时密封效果。HMC 可以粘附在受伤组织上以进行止血或修复（图 4A）。HMC顺应动脉曲面，与组织形成强粘连以止血（图4B）。HMC与肺黏附力强，用镊子难以分离（图4C）。

图4 HMC在羊手术中的应用。

团队也演示一个称为鞋带粘合剂伤口闭合的程序。在两片 HMC 中缝合几根缝线，将缝合的 HMC 粘在伤口上，然后像鞋带一样拉动缝线（图 4D）。作为演示，在羊的肝脏上做了一个大约 30 毫米的切口，并沿着切口的两侧粘附缝合的 HMC。在拉线之前，伤口会流血。收紧并打结缝线后，伤口停止流血（图4E）。

【总结】

提出了一种称为 HMC 的设计，它通过增加一个重要特性来拓宽手术网的功能：与组织的强粘附力。HMC 可以通过多种粘附策略和多种水凝胶材料和手术网片来制造。团队通过使用 PNIPAAm/壳聚糖 HMC 的特定系统来说明这一概念，该系统可以在生理环境下与各种组织形成牢固且抗膨胀的粘附。团队证明了强粘附力和大拉伸刚度的结合使 HMC 能够密封伤口以抵抗血压并在组织张力下桥接切口。还提出了使用 HMC 进行伤口闭合的鞋带粘合剂程序。HMC 可能为临床手术的创新打开大门。