【Adv.Funct.Mater】用于动态伤口闭合的梯度模量组织粘合剂复合材料—中山大学生物医学工程学院
用于动态伤口闭合的梯度模量组织粘合剂复合材料
Advanced Functional Materials ( IF 19.924 )
Pub Date : 2022-09-01
DOI: 10.1002/adfm.202207306
在富流体和动态环境中，伤口闭合具有挑战性。用缝合线或吻合器缝合的伤口容易撕裂，造成液体渗漏和感染。尽管组织粘合剂在伤口愈合方面取得了最新进展，但现有的组织粘合剂水凝胶过于柔软和可拉伸，无法在动态载荷下保持伤口边缘在一起。
本文提出了一种生物可降解的梯度模量组织胶复合材料(GmTAC)，该复合材料包括组织胶基质、梯度模量微网和油浸抗粘附表面三种功能组件。100 μ m厚的GmTAC贴片可以快速粘附在湿润的组织表面，密封创面，保护创面免受动态撕裂，防止与周围组织粘连，不需要回收贴片即可逐渐降解。
此外，一个优化设计的GmTAC贴片可以使受伤的肠道像完整的肠道一样变形，即使在大的张力或膨胀下也不会出现明显的撕裂或应力集中。在动态和富流体环境中，通过体外和体内模拟验证了GmTAC在伤口闭合和防止撕裂方面的有效性。这项工作因此证明了这种策略在治疗具有挑战性的伤口方面有很大的潜力。
伤口撕裂和渗漏是普通外科手术中感染和死亡的主要原因，尤其是腹部器官的挑战性伤口，如胃肠道或血管，内有液体流动和动态负荷。通常，这些具有挑战性的伤口是通过缝合或钉针机械地将组织瓣或伤口边缘缝合在一起来治疗的。但在动态环境下，这些方法会引起伤口周围的应力集中，导致伤口裂开和液体(血液或肠液等)渗漏。
针对这些问题，人们提出了可以粘附在湿性组织表面的组织粘合剂(tissue adhesive, TA)水凝胶，通过与组织表面形成分子间键(氢键或静电相互作用)或共价键来密封伤口。在该方案下，TA水凝胶如干式双面组织胶布或可注射生物胶粘剂被开发用于伤口闭合;热响应聚合物如聚(n -异丙基丙烯酰胺)也被与TA水凝胶结合，以加速伤口愈合。
尽管近年来在高粘接强度或大拉伸性的组织胶粘剂方面取得了进展，但现有的杨氏模量为少数kPa至约100-200 kPa的软TA水凝胶(见表S1，支持信息中的文献综述)在动态环境中不能有效地保持伤口边缘在一起以实现伤口闭合。在动态张力或膨胀作用下，软TA水凝胶会发生过度变形，导致伤口重复撕裂，损害伤口愈合，诱导瘢痕形成(图S1a-c，支持信息)。
为了缓解这些问题，研究人员使用高模量聚合物，如聚氨酯(PU)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为背衬膜来增强TA水凝胶。这些聚合物的杨氏模量一般为几MPa或几十MPa(如PU的弹性模量≈30 MPa)。TA水凝胶具有高模量背膜，可约束组织变形(图S1d，支持信息)，损害器官功能，如通过影响肠道蠕动造成梗阻，或通过改变血管内流体动力学引起血栓不相容的高模量会引起严重的应力集中，导致动载荷下粘连破坏。
此外，两侧粘合的TA水凝胶可能会与周围组织产生不应有的粘连，从而损害伤口愈合，可能需要再次手术。理想的创面闭合材料应该能够密封创面，防止组织粘连，并在动态载荷下牢固地保持创面边缘在一起，同时最大限度地减少应力集中，使创面组织变形并像完整组织一样发挥功能。
在此，通过设计一种梯度模量组织粘附复合材料(GmTAC)来描述一种动态伤口闭合策略，该复合材料由组织粘附水凝胶基质、梯度模量微网格和油浸表面组成。通过这些功能成分，GmTAC贴片可以同时在湿润的组织表面实现强粘连，保护创面免受动态撕裂，防止与周围组织粘连。干燥状态下的GmTAC贴片采用柔性薄膜的形式(厚度≈100 μ m)，可直接涂抹在非平面表面闭合创面。
当贴有优化设计的GmTAC贴片的伤口被拉伸或膨胀时，来自边缘柔软的GmTAC贴片的应力会传递到伤口另一侧的拓扑纠缠的微网，有效地保护伤口免受外部载荷，使受伤组织变形并像完整组织一样工作，而不会出现明显的撕裂、应力集中或约束。此外，GmTAC贴片采用生物可降解材料设计，在生理条件下可随时间降解，无需重新操作进行贴片检索。这些特征已经在体外和体内通过模拟验证，证明了该策略对挑战性伤口管理的有效性。