清华大学开发出超级生物胶水 可加速伤口愈合、几乎不结痂

2021年06月18日 阅读量:2

外科手术中,把断裂、破裂的血管接起来一直是“针线活”,但缝合术不适合特别细小的血管。“生物胶水”是研究人员新发明一种方法,用“生物胶水”能把细小血管粘接起来,并且能避免缝合术的一些副作用。生物医学胶的开发是一项重要而具有挑战性的任务,因为表面上相互排斥的特性需要结合在一种材料中,即强粘附性和对愈合组织重塑过程的适应性。近年来,生物胶水的研究成为了医学领域的热点,制备粘接性能强的生物胶水并应用在临床实验中是研究者们追求的目标。

清华大学刘凯教授及德国亚琛工业大学Andreas Herrmann教授合作,报道了一种生物兼容和可生物降解的蛋白质基粘合剂,无需共价键,由阳离子超荷电多肽和阴离子十二烷基苯磺酸钠表面活性剂组成的复合物,赖氨酸与表面活性剂的摩尔比为 1:0.9,在多重超分子相互作用驱动下,从而实现超强粘附,达到16.5 MPa,是常规生物胶水的10倍。相关研究内容以“Ultra-strong bio-glue from genetically engineered polypeptides”为题发表在《Nature Communications》。

 

传统的聚合物胶粘剂通过涂层表面粗糙度和延缓粘接接头的断裂来实现高粘接强度。一般需要原位聚合或反应性单体的交联,这些单体形成永久性的、非自适应的共价键或网络。最近,基于超分子界面键形成的体系,如邻苯二酚或主客体基序,引起了大家的兴趣。然而,它们在环境条件下不能提供强大的粘附强度。在实际应用中无法满足生物降解性。由于生物大分子可以在合理的时间尺度上通过生物化学过程降解,因此生物大分子可以作为粘接线应用于胶水中。例如在伤口愈合过程中,蛋白酶在基质微环境中增多,并积极降解外源性实体和原生成分。研究者们已经开发了几种弹性基粘合剂、血液来源的纤维蛋白密封剂和其他天然来源的粘合剂基质,但都需要通过热或紫外光照射进行费时费力的预处理,以形成主要的共价键,有可能对受损组织造成二次损伤。

 

理想的用于再生医学的粘接剂应该将生物相容性和可降解性与高粘接剂强度结合起来,同时仍然具有适应性和灵活性。为了解决上述难题,作者提出了增压多肽基胶粘剂系列的设计。这些胶是由静电络合阳离子多肽和阴离子芳香表面活性剂形成的,避免了在胶合过程中形成共价键。非共价键组合产生超高的断裂强度,超过已知的蛋白质基粘合剂一个数量级,能使外皮创面和内脏器官缺损迅速愈合,同时加速创面愈合。

图1:SUP-SDBS胶系的制备与研究

 

【生物胶的表征及应用】

 

热重分析(TGA)表明,SUP-SDBS复合物表现出的含水量~ 42% (w / w)。制作完成后,通过搭接剪切试验研究了SUP胶的体粘接强度。K72-SDBS和商用氰基丙烯酸酯胶(作为比较)应用于玻璃、钢、铝、聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)等各种基材上。K72-SDBS胶在高能表面(玻璃或金属)粘附较强,断裂强度为11.0 ~ 14.0 MPa,与氰基丙烯酸酯胶相当。这可以用胶水和表面之间的化学相互作用和机械联锁的势能来解释。在低能量表面(PVC或PE), SUP胶水的附着力减少,但仍然像氰基丙烯酸酯一样强,是最强的商业可用的粘合剂之一。对胶粘剂的lap - shear研究表明,黏附强度随着SUP摩尔质量的增加而增加,黏附强度可调节在3.0 - 16.5 MPa之间。

 

作者研究了SUP胶在体内和体外的生物医学应用的适应性。作者使用SUP-SDBS复合物将两片猪心脏、肌肉、肝脏和皮肤粘在一起,单向拉伸测试记录相应的force-extension曲线。实验进一步表征了SUP胶对肌肉、肝脏和皮肤组织的粘附性能,其粘附能分别为80 J m-2、45 J m-2和6 J m-2。在人类皮肤和眼睑上进行了用于化妆品和皮肤保健的粘合剂应用概念验证。

 

作者采用自定义线性切口和圆形开口的大鼠模型进行伤口愈合的系统体内评价。采用4种不同的动物组进行伤口处理,包括空白、缝合、商业医用粘接剂COMPONT和SUP胶。采用SUP胶治疗组,将SUP胶调整至切口处,将创面密封严密。在8天内定量评估愈合进度。5 天后,与其他各组相比,SUP胶修复创面面积明显增加,说明SUP胶具有皮肤再生能力。第8天,用SUP胶处理的大鼠创面面积为4%,几乎不可见瘢痕,效果优于商用医用胶粘剂。在一项关于圆形伤口的伤口敷料的研究中也观察到类似的趋势。从这些实验中可以看出,SUP胶对不同形状的伤口具有积极的促进止血和加速愈合的作用。与缝合线闭合和商业化学粘合剂形成鲜明对比的是,SUP胶水具有可生物降解的性质和超分子结合特性,可能很好地适应了基质和组织的动力学,这可能解释了皮肤缺陷加速愈合和再生的原因。

图3:SUP胶用于湿组织粘连和伤口止血的定量及应用。

图4:创伤后大鼠皮肤组织的组织学研究表明,SUP胶促进伤口愈合和组织再生。

 

综上,作者制备了有强劲粘附强度的生物胶水,复杂的非共价相互作用在干态和湿态中建立了强大的粘附和内聚。在各种硬基材和软组织上的实验表面,所制备的生物胶水的粘附性能是迄今为止报道的所有其他生物激发蛋白基粘合剂的十倍以上。阳离子SUP静电与芳香族表面活性剂的超分子络合,使SUP胶具有超强的粘合力和可生物降解性。这种独特的特性使这种材料非常适合美容护肤应用,并可作为体内生物胶,使手术后的组织再生,发挥快速止血、避免炎症反应和加速愈合的作用,为伤口愈合研究提供新机遇。

 

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