生物粘合剂已经在临床上被用作缝合和缝合伤口的最有前景的替代物。理想的医用生物粘合剂应满足所有系列原则: i)与组织或器官的湿界面的高粘附强度，ii)生物相容性，iii)进行有效止血的能力，iv)适当的机械和物理性能，例如拉伸、剪切和破裂强度，v)易于应用于损伤部位，特别是在难以接近的身体区域或对于易碎组织，和vi)足够的适应性以适应复杂的伤口轮廓和尺寸。

然而，现有的临床组织粘合剂不符合这些理想的性能，表现为对湿表面的粘合力弱、机械性能较差、细胞毒性和后遗症。为此，来自中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所戴建武、陈艳艳团队 开发了一种基于胶原-淀粉(CoSt)的水凝胶，其具有高韧性、强且长期的湿表面粘附性以及良好的止血能力。除优异的性能外，水凝胶在大鼠损伤模型的严重肝缺损、腹主动脉和横断脊髓中，在短时间内(≈60 s)停止大剂量出血和不可压缩止血的优异效果。

相关研究成果以“Biomimetic Natural Biopolymer-Based Wet-Tissue Adhesive for Tough Adhesion, Seamless Sealed, Emergency/Nonpressing Hemostasis, and Promoted Wound Healing”为题于2022年12月3日发表在《Adv. Funct. Mater.》上。

1. 水凝胶的制备和表征

在这项研究中，作者引入了胶原链上的多巴胺基团(Col-da)来模拟贻贝蛋白质的粘附机制。淀粉具有类似于阿拉伯半乳聚糖和AGPs的糖基序列和球形结构。我们在淀粉链(St-c)上修饰醛基来模拟AGPs上的糖醛酸残基，钙离子被相应地引入以促进水凝胶固化和粘合增强（图1a-b）。 Col-da和St-c通过多重交联共价键和非共价键形成互连网络。同时，一方面，Ca2+通过静电和络合反应与水凝胶网络相互作用。另一方面，胶原蛋白和淀粉是生物矿化的良好复合模板，儿茶酚基团有助于加速生物矿化（图1a-b）。 拉曼光谱显示出成本水凝胶显示出与标准CaCO3相同的特征峰颗粒，证实CaCO3粒子已经有效地整合到复合水凝胶体系中（图1c）；作者还进行了流变测试以验证其自愈行为、可注射性和形状适应性（图1d-e）。由此， 水凝胶的高拉伸性能、适中的模量、自愈合性能和可注射性可以增强CoSt水凝胶和周围组织之间的连接，并在组织移动或血压波动期间最小化结构破裂 。

图1 低成本水凝胶的制备和表征

2. 水凝胶的粘合性能

将CoSt水凝胶注射到猪肌肉表面后评估其对组织的粘附能力。 在弯曲、扭曲、水浸泡和拉伸后，水凝胶保持完整并牢固地附着在组织上（图2a） 。为了进一步量化CoSt水凝胶的湿粘附强度，作者进行了搭接剪切粘附试验。不同淀粉和胶原含量的CoSt水凝胶在2 h接触时间点的最佳平均粘附强度为62±4.8 kPa，显著高于医用纤维蛋白胶(≈15 kPa)（图2b-c）;还验证了水凝胶通过快速定量吸收液体来去除界面水的能力。水凝胶表面分别滴加200µL的水、磷酸缓冲液(PBS)和大鼠全血(1 mL)，所有溶液在10 s内被迅速吸收(图2d)。 CoSt水凝胶对液体的快速吸附表明它能够消除界面水的阻隔，从而使水凝胶具有快速的湿表面粘附性。

图2 水凝胶的粘合性能

3. 水凝胶的密封性

为了证明这种新型水凝胶在外科手术中作为缝线和钉替代物的潜在应用，作者研究了水凝胶的密封性能。使用大鼠子宫损伤模型直观地验证防止液体渗漏的效果。 在未治疗组在子宫底部注射蓝色染料，染料从两个切口漏出以确认损伤的存在。在治疗组中，在将CoSt水凝胶注射并密封到切口之一后，立即将蓝色染料注射到子宫中的相同位置，在水凝胶修复部位没有观察到渗漏，而在对侧切口观察到渗漏， 表明CoSt水凝胶能有效地封闭受损的子宫（图3） 。

图3 水凝胶的密封性

4. 水凝胶的止血性能

接着， 作者评估了CoSt水凝胶的止血能力，分析了凝血指数(BCI)以及红细胞和血小板吸附率。BCI随着时间的推移而降低，表明血液凝固是逐渐发生的（图4a-c）。总的来说，水凝胶中红细胞和血小板的吸附优于纤维蛋白胶。 此外，还继续评估了与水凝胶接触后血液的凝固率。正常情况下，血液在≈6 min内凝固，无需任何干预。对照组的凝血时间为6.33±0.47分钟，而CoSt水凝胶组在1 min以内，比纤维蛋白胶组(1.67±0.47min)短（图4d-e），通过倒置试验评估水凝胶的凝结速率进一步支持了这一点（图4f）。

图4 水凝胶的体外止血性

之后， 作者将CoSt水凝胶进一步应用于各种出血模型，包括大鼠尾部截肢、肝脏切口、主要肝脏缺损、腹主动脉切口和全横断脊髓出血模型，以验证其在不同出血环境中的体内止血性能 。以大鼠切尾模型为例，在切尾后立即将成本水凝胶涂抹在伤口表面，并牢固地粘附到出血伤口部位（图5a-b）。图5c显示了在各种治疗情况下5分钟内定性的出血伤口，对照组出血量显著高于实验组（图5d-e）。肝损伤模型中的体内止血也呈现了相同的效果（图5f-j）。 止血时间和出血量明显减少，表明CoSt水凝胶能有效控制出血。

图5 大鼠断尾和肝损伤模型中的体内止血性能

5. 在大鼠皮肤切口和缺损模型中的体内伤口愈合性能

鉴于CoSt水凝胶具有良好的组织粘附和止血性能，作者进一步通过2cm大鼠皮肤切口模型研究CoSt水凝胶的皮肤伤口愈合效果(图6a)。 通过CoSt水凝胶，伤口部位被重新连接。选择纤维蛋白胶作为阳性对照。手术后10天，在未治疗的对照组中观察到明显不均匀的疤痕增生。相比之下，在CoSt水凝胶组几乎没有疤痕形成，新表皮和毛发的再生也分别得到改善。

为了进一步证明CoSt水凝胶促进组织再生的能力，制造了大鼠全层圆形皮肤缺损(直径10 mm )。 与对照组相比，在整个治疗过程中，在CoSt水凝胶组中观察到伤口恢复状态增加。18天后，CoSt水凝胶组的所有伤口都完全愈合，而对照组只有75.3%±6.8%的伤口愈合（图6d-f）。 HE和Masson染色进一步说明CoSt水凝胶有效地加快愈合。

图6 大鼠皮肤切口和缺损模型中的体内伤口愈合性能

综上， 本文设计了CoSt水凝胶作为一种新型的止血生物粘合剂。由于其排水、分子链渗透、交联强化等仿生机理，在各种湿基材料上表现出超高的粘附和密封性能。此外，碳酸钙颗粒的动态增强效应、多重可逆动态相互作用(希夫碱反应、氢键、静电力等)使CoSt水凝胶具有适当的机械强度、可重复粘附和自愈合性能。 此外，CoSt水凝胶可以进一步应用于急诊大出血和非压迫性出血，显示了极大的促进伤口愈合的能力。总的来说， CoSt水凝胶是一种有效的无缝合线密封、紧急/非按压止血和不规则伤口愈合的候选者，以应对更复杂的情况。

文章来源：

https://doi.org/10.1002/adfm.202211340