华中科技大学王琳教授团队AFM:具有强水下粘合力的仿生自疏水丝胶粘合剂,实现伤口愈合和流体泄漏密封

2022-05-19 07:53:32 浙江 高分子科学前沿
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临床当中经常使用的粘合剂,如氰基丙烯酸酯和纤维蛋白原粘合剂,在暴露于水时往往会失去组织粘附性,严重限制了它们的临床应用,因此开发具有坚韧组织粘合强度的粘合剂的需求非常迫切。由界面水(即体液)诱导的水化层是减低粘合剂和组织表面之间牢固而持久粘合的主要原因。因此,将水从界面排斥并增加界面相互作用对于有效开发水下粘合剂至关重要。

现有报道的研究技术当中,非共价相互作用(如静电,氢键,和主客体相互作用)和微/纳米结构修饰策略已被用于破坏水化层,增强水下附着力。然而,这些水下粘合剂中的大多数都需要复杂的预改性过程或有毒的氧化剂/金属离子,这不可避免地限制了它们的生物应用。因此,迫切需要开发工艺简单、生物相容性好的坚韧、持久的水下组织粘合剂。

近日,华中科技大学同济医学院王琳Wang Zheng研究团队,提出了一种仿生自疏水粘合剂,通过还原丝胶(二硫键水解丝胶)蛋白和单宁酸(TA)的共组装来实现稳健、稳定和持久的粘附。自疏水粘合剂(rSer-TA)由亲水性TA和疏水性丝胶蛋白组成,成分类似于贻贝胶中的多巴和疏水性氨基酸。生物粘合剂中的疏水性氨基酸在暴露于水中时倾向于聚集在一起并将水从界面排斥,从而有利于 TA 与基材的交联,以提供坚固且耐水的水下附着力。此外,该自疏水粘合剂可以安全快速地粘合皮肤切口和内部伤口缺损以及防止液体渗漏,并有效促进这些伤口愈合。相关工作以“Bio-Inspired Self-Hydrophobized Sericin Adhesive with Tough Underwater Adhesion Enables Wound Healing and Fluid Leakage Sealing”发表在《 Advanced Functional Materials》上。

图1 粘合剂制造示意图和水下粘合机理

【TA与不同蛋白质的结合能力】

TA可以与包括蛋白质在内的亲核试剂强烈相互作用,因此作者假设TA可能是形成蛋白质粘合剂的分子交联剂。实验结果表明,在将TA添加到一系列亲水性蛋白质(包括丝胶 (Ser)、牛白蛋白 (BSA)、卵清蛋白 (OVA) 和溶菌酶 (LZM) 中)后会形成自发沉淀。与丝胶生成的复合物被命名为丝胶-TA (Ser-TA),它含有粘性强的粘性纤维,易于拉伸。相比之下,TA与其他蛋白质(BSA、OVA 和 LZM)相互作用产生的沉淀物不具有粘性。

图2 多酚与蛋白质的结合能力实验结果

【还原型丝胶蛋白和rSer-TA的结构】

丝胶与 TA 的结合亲和力很强,实验结果表明rSer-TA反应由可逆的氢键、离子键和共价交联驱动,并保持丝胶内疏水氨基酸的成功翻转,这有望将水从界面上置换出来。

图3 还原型丝胶蛋白和 rSer-TA 的结构

【rSer-TA的水下附着力】

破坏表面的水化层对于设计水下粘合剂至关重要。rSer-TA中的疏水氨基酸预计会触发疏水表面的形成,从而通过氢键或静电相互作用增强相邻儿茶酚基团与水下底物的交联。通过搭接剪切试验验证了rSer-TA的剪切强度,在空气中rSer-TA 对基材表现出非特异性和高粘附性,揭示了 rSer-TA 普遍的高粘附能力。

图4 rSer-TA的水下粘合强度和承载力测试实验结果

【rSer-TA 对湿组织的粘附强度】

实验发现,rSer-TA与湿润组织粘附后,即使在水中浸泡30分钟后,rSer-TA 也能紧紧地粘附在湿组织上,并且能够承受过度的扭曲和拉伸,这表明 rSer-TA 对各种湿组织表面的粘附力很强。此外,在常用于评估粘附性能的搭接剪切试验中,rSer-TA 对猪皮肤、小肠和结肠的瞬时剪切强度很高,高达 0.15 MPa,而 Ser-TA仅显示0.02 Mpa。这证实了rSer-TA的高粘附能力是由丝胶的 TCEP 还原引起的,这导致更多疏水性氨基酸的暴露。

图5 rSer-TA对各种湿组织的即时粘附实验结果

【rSer-TA 粘合剂的伤口愈合促进作用】

使用全层皮肤切口模型评估rSer-TA对皮肤伤口的治疗效果,其中使用手术刀在大鼠背部创建切口间隙 (2 cm)。在30秒内应用rSer-TA并将切口粘合在一起。治疗后1周仔细观察损伤部位,第7天进行免疫荧光染色。rSer-TA处理后,两片皮肤紧密粘合,7天后愈合,表明rSer-TA不仅具有高组织粘连还能促进伤口闭合和再上皮化。此外,肿瘤坏死因子-α (TNF-α)和白细胞介素-6 (IL-6)的阳性染色显着减少证明了rSer-TA 粘合剂没有显着诱导炎症。

图6 rSer-TA对各种湿组织的即时粘附实验结果

【rSer-TA 粘合剂的泄漏密封效果】

安全有效组织伤口部位体液渗漏对于减少创伤和手术期间的大量失血至关重要。通过用注射器针头穿刺肝脏建立小鼠肝出血模型, 大量血液流出, 持续 100 s。在应用rSer-TA后10秒内,出血完全停止,在肝脏表面几乎没有检测到血迹。这表明 rSer-TA 可用作通用水下粘合剂,用于快速有效地控制出血。此外,由于残留材料可能导致血栓形成或炎症,因此密封剂的生物降解性对于体内应用很重要。rSer-TA被皮下植入大鼠背部,在体内逐渐降解,并在第 7 天完全消失,引起可忽略不计的血栓形成和免疫反应。尽管在植入后一天观察到中性粒细胞,表明存在急性炎症反应,但rSer-TA的炎症反应随着时间的推移而降低。同时,将rSer与不同浓度的TA混合产生的rSer-TA也具有良好的生物相容性。这些结果共同表明rSer-TA粘合剂具有良好的生物降解性和生物相容性,适用于促进受伤组织的愈合。

图7 rSer-TA粘合剂的体内伤口密封作用实验结果

总结:该项研究报道了一种通过还原丝胶蛋白和单宁酸的共组装设计和制造的自疏水粘合剂 (rSer-TA),模拟天然mfps中疏水氨基酸和粘合剂蛋白的协同相互作用。研究证明了TA与丝胶蛋白的高结合亲和力导致了稳定的粘合剂形成复合物。尽管这种基于丝胶的生物粘合剂与之前报道的贻贝类粘合剂有一些相似之处,但暴露的疏水氨基酸会在遇到水时触发 rSer-TA 粘合剂的自疏水化,并通过增强相邻儿茶酚基团与水下底物的交联、氢键或静电相互作用。值得注意的是,rSer-TA 能够与组织表面进行非共价交联,表现出强大、可重复和持久的水下粘附力。外部模型验证了rSer-TA可实现快速、坚固的组织密封,并促进伤口愈合,优于市售的氰基丙烯酸酯胶。此外,rSer-TA胶粘剂具有黏附力强、止血快、密封渗漏、促进愈合等多功能特性,同时具有良好的生物相容性和可生物降解性,制备简单、成本低等优点,可用作各种医疗应用的生物胶或密封剂。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202201108

来源:高分子科学前沿

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