原位构建具有受损组织防粘连作用的水凝胶润滑涂层 | Cell Press青促会述评

▲ 点击上方蓝字关注CellPress细胞科学 ▲

生命科学

Life science

作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2024年第十一期（总第169期）专栏文章，由中国科学院化学研究所副研究员、中国科学院青年创新促进会会员王星，就Cell Reports Physical Science中的论文发表述评。

长按图片扫描二维码阅读论文

人体器官表面或组织液中存在多种具有水合作用的生物大分子，能够以极低的摩擦系数保持界面良好的润滑功能，从而有效地防止组织粘连。然而，当发生损伤、疾病或年老会引起功能受损和界面润滑失效，导致滑动界面处的磨损加剧，进而诱发许多疼痛相关的疾病。腹腔作为软组织最重要的部位之一，由于腹腔内部器官与腹壁之间的润滑失效时会引起一系列的并发症和持续疼痛，因此亟需发展兼具优异的润滑性、生物降解性和力学强度与组织相匹配的术后防粘连材料。水凝胶因其优异的生物相容性、润滑性和抗污性被广泛应用于生物医学领域，新型表面聚合和涂层技术的发展为制备具有术后防粘连的多功能水凝胶润滑涂层提供了可能。最近，中国科学院兰州化学物理研究所麻拴红研究员、周峰教授和兰州大学口腔医学院的范增杰教授在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上发表文章，构建了具有良好生物相容性、力学强度与组织相匹配和低摩擦系数（COF）特性的水凝胶润滑涂层，由于其表面水化作用强，对非特异性蛋白质、成纤维细胞和血液均具有良好的润滑性能和抗污性能，因而在大鼠盲肠腹壁术后粘连模型中发挥了重要作用。

▲图1 原位制备水凝胶润滑涂层及其组织界面润滑和粘附示意图。

基于甲基丙烯酸化羧甲基壳聚糖（MA-CMC）和邻硝基苯接枝透明质酸（HA-NB）的光聚合反应，作者设计了一种能够在损伤组织表面原位快速光固化（10 s）的水凝胶润滑涂层（PMH），具有较好的本体力学强度和组织黏附强度。其原理是在365 nm光照下，HA-NB中的邻硝基苯转化为邻硝基苯甲醛，能够与组织表面的氨基和MA-CMC上的残留氨基快速反应形成第一动态交联网络，实现了水凝胶涂层与组织表面的原位共价耦合。同时，在UV照射下形成第二化学交联网络，为水凝胶涂层提供充分的机械支撑。此外，PMH水凝胶涂层不仅能够为损伤组织表面提供坚固的物理屏障，而且通过强水化作用使界面重新具有良好的润滑性能，从而发挥组织防粘连作用（图1）。

▲图2  PMH水凝胶涂层的润滑性、防污性能和细胞相容性评价。

作者通过球-盘和盘-盘两种接触模式的试验评估了PMH水凝胶涂层的润滑性能，结果表明PMH水凝胶在PBS、生理盐水和模拟体液等不同介质中均具有很低的摩擦系数（COF<0.015），即使通过10000次滑动循环后COF仍然相对较低且稳定（0.010-0.012），水凝胶涂层表面未出现明显磨损。相比于天然组织，PMH水凝胶在动态滑动过程中具有更高的弹性模量可以抵抗机械变形，从而表现出更优越和稳定的润滑性能。此外，由于PMH涂层的强水化效应和其在PBS溶液中负电荷特性的协同作用，PMH水凝胶涂层显示出优异的防蛋白吸附和细胞黏附的能力，在抗组织界面粘附方面也表现出优异的防污性能（图2）。

通过建立大鼠盲肠-腹壁磨损模型评估PMH水凝胶在体内的术后防粘连效果，结果表明术后第7天和第14天，所有对照组大鼠均可观察到严重的粘连现象，水凝胶组大鼠几乎未出现任何粘连，盲肠与腹壁完全分离。更重要的是，盲肠出血点和腹壁缺陷区完全消失，几乎已经恢复。与正常大鼠相比，水凝胶组大鼠的盲肠和腹壁形态没有差异。组织病理学检查结果表明对照组在术后7天已能看到明显的组织粘连，盲肠和腹壁之间有大量炎症细胞浸润和胶原纤维沉积，术后14天能够观察到新生血管形成，内脏腹膜和腹壁腹膜的部分边界消失，开始逐渐融合。相对比而言，几乎所有的PMH水凝胶组大鼠没有观察到明显的组织粘连，H&E和Masson染色结果未见炎症细胞浸润和胶原纤维沉积，盲肠和腹壁的损伤区域都可以观察到明显的改善（图3）。

▲图3  正常组、对照组和PMH水凝胶组的术后组织病理学结果。

当腹壁和盲肠之间形成伤口时，受损的腹膜间皮细胞会产生与炎症相关的免疫反应，导致大量炎症细胞因子的分泌。代表性肿瘤坏死因子α（TNF-a）、白细胞介素-6（IL-6）等炎性细胞因子的过度表达会减缓创面修复速度，加速纤维蛋白的形成和沉积，从而促进术后粘连的发展。免疫组化（IHC）和免疫荧光（IF）染色结果表明对照组手术创伤导致TNF-a和IL-6表达显著上调，PMH水凝胶组治疗后的TNF-a和IL-6水平均降低。第7天，水凝胶组的TNF-a和IL-6平均光密度（AOD）分别为0.0435% ± 0.14%和0.0381% ± 0.61%，显著低于对照组（0.0822% ± 1.10%和0.0828% ± 0.78%）。第14天，水凝胶组TNF-a和IL-6的AOD分别为0.0280% ± 0.36%和0.0534% ± 0.82%，仍低于对照组（0.1011% ± 0.28%和0.1159% ± 1.80%），但是已接近正常组织水平（0.0288% ± 0.24%和0.0350% ± 0.10%），表明PMH水凝胶可以降低腹膜损伤引起的炎症水平，从而间接起到防组织粘连的效果。此外，PMH水凝胶可通过下调FIB和TGF-β的表达来预防术后粘连。IHC染色结果显示对照组中的TGF-β和FIB表达量高于水凝胶组，水凝胶组在第14天的TGF-β表达量最低，AOD为0.019% ± 0.5%，仅为对照组的五分之一；与正常组相比，水凝胶组在第14天的FIB水平明显高于第7天，这可能与组织再生有关（图4）。因此，PMH水凝胶能够显著降低TNF-a、IL-6、TGF-β和FIB的表达，抑制炎症和纤维化发生；另一方面，免疫荧光染色结果表明PMH水凝胶还可以很好地调节组织凝血酶原激活剂（t-PA）和纤溶酶原激活物抑制剂（PAI-1）的表达，维持腹腔内纤溶系统的平衡，从而发挥预防术后粘连作用。

▲图4  免疫组化染色结果及炎症因子的表达情况。

综上所述，作者提出了一种能够在受损盲肠组织上原位快速光固化的水凝胶润滑涂层的新策略，这类PMH水凝胶涂层不仅与组织具有良好的界面结合力和力学强度，而且由于其表面水化作用强，对非特异性蛋白质、成纤维细胞和血液具有良好的润滑性能和抗污性能。大鼠盲肠腹壁术后粘连模型实验结果表明PMH水凝胶润滑涂层在体内具有良好的术后防粘连效果。免疫组化和免疫荧光结果进一步揭示了其防组织粘连的生物学机制，PMH水凝胶不仅可以有效地降低TNF-a、IL-6、TGF-b、FIB的表达，抑制炎症和纤维化，还可以很好地调节t-PA、PAI-1的表达，维持纤溶系统的平衡。因此，基于PMH水凝胶涂层的水合润滑，低炎症表达和纤溶酶原活化的协同作用，该凝胶涂层有望发展成为一种具有转化前景的术后防粘连材料应用于临床。

论文摘要

人体内含有许多具备优异水合能力和润滑性能的软界面，从而能够有效地抗组织粘连。腹腔作为软组织最重要的部位之一，在腹腔内部器官与腹壁之间的润滑失效时，通常会产生严重的磨损和组织粘连相关的并发症。本文报道了一种在受损盲肠组织上通过紫外线固化制备水凝胶润滑涂层的方法，该涂层是由甲基丙烯酸化羧甲基壳聚糖（MA-CMC）和邻硝基苯接枝透明质酸（HA-NB）组成，不仅固化时间快、结合强度好及与组织力学相匹配，而且具有良好的润滑性和防污性。大鼠盲肠腹壁术后粘连模型验证了该涂层在体内的防粘连效果，因此本文涉及的水凝胶润滑涂层理念可能有助于加速防粘连材料的开发和临床应用。

The human body involves many soft interfaces with excellent hydration and lubrication properties to resist biological adhesion. The abdominal cavity, one of the most important parts of soft tissues, commonly generates severe wear and adhesion-related complication upon encountering lubrication failure between the internal organs of the abdominal cavity and the abdominal wall. Here, we report a method for the manufacture of UV-cured hydrogel lubrication coating on damaged cecum tissue. The hydrogel coating consists of methacrylated carboxymethyl chitosan (MA-CMC) and o-nitrobenzene-grafted hyaluronic acid (HA-NB). The coating not only exhibits fast curing time, good bonding strength, as well as matching mechanics with organs but also shows good lubricity and anti-fouling properties. The anti-adhesion performance of the coating is verified in a constructed rat cecum-abdominal wall postoperative adhesion model. The current concept of hydrogel lubrication coating may help accelerate the development and clinical application of soft anti-adhesion materials.

向下滑动阅览摘要原文

中文内容仅供参考，请以英文原文为准

述评人简介

王星

中国科学院化学研究所副研究员

中国科学院青年创新促进会会员

邮箱：[e-mail]

王星，博士，中国科学院化学研究所副研究员，2019年入选中国科学院青年创新促进会。主要从事高分子材料的合成与改性、智能水凝胶的可控构筑、多功能水凝胶柔性传感材料、止血抗菌敷料、生物医用粘合剂等研究。近五年以第一或通讯作者在Nature Communications、Advanced Materials、CCS Chemistry、Advanced Science、Bioactive Materials等国内外高水平期刊上发表SCI文章100余篇，H因子40，申请国家发明专利18项，其中12项获授权，1项已成果转化，合著专著1部；应邀为Military Medical Research、Pharmaceutics、Frontiers in Chemistry、Frontiers in Pharmacology、Polymers等期刊杂志组织学术专刊10期。

Xing Wang is an associate professor in Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences (ICCAS). He has been a “Member of Youth Innovation Promotion Association CAS” since 2019. He is mainly engaged in the synthesis and modification of polymer materials, controllable construction of intelligent hydrogels, multi-functional hydrogels medical materials, drug-controlled release, hemostatic and anti-infection dressing and biomedical adhesives. In the past five years, He has published more than 100 papers in high-level journals like Nature Communications, Advanced Materials, CCS Chemistry, Advanced Science, Bioactive Materials as the first or corresponding author (H-factor 40). He has applied for 18 national invention patents, 12 of which were authorized and 1 of which was transformed for the scientific and technological achievement, and co-edited 1 Wiley book. It has been invited to organize 10 academic specials for journals such as Military Medical Research, Pharmaceutics, Frontiers in Chemistry, Frontiers in Pharmacology, Polymers, etc.

向下滑动阅览英文简历

相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社

旗下期刊 Cell Reports Physical Science 上，

点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

中国科学院青年创新促进会（Youth Innovation Promotion Association，Chinese Academy of Sciences）于2011年6月成立，是中科院对青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院的青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。

Youth Innovation Promotion Association (YIPA) was founded in 2011 by the Chinese Academy of Science (CAS). It aims to provide support for excellent young scientists by promoting their academic vision and interdisciplinary research. YIPA has currently more than 4000 members from 109 institutions and across multiple disciplines, including Life Sciences, Earth Science, Chemistry& Material, Mathematics & Physics, and Engineering. They are organized in 6 discipline branches and 13 local branches.

向下滑动阅览青促会的英文介绍

推荐阅读

▲长按识别二维码关注细胞科学