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外科手術(shù)中，把斷裂、破裂的血管接起來(lái)一直是“針線(xiàn)活”，但縫合術(shù)不適合特別細(xì)小的血管。“生物膠水”是研究人員新發(fā)明一種方法，用“生物膠水”能把細(xì)小血管粘接起來(lái)，并且能避免縫合術(shù)的一些副作用。生物醫(yī)學(xué)膠的開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)重要而具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)楸砻嫔舷嗷ヅ懦獾奶匦孕枰Y(jié)合在一種材料中，即強(qiáng)粘附性和對(duì)愈合組織重塑過(guò)程的適應(yīng)性。近年來(lái)，生物膠水的研究成為了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，制備粘接性能強(qiáng)的生物膠水并應(yīng)用在臨床實(shí)驗(yàn)中是研究者們追求的目標(biāo)。

清華大學(xué)劉凱教授及德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)Andreas Herrmann教授合作，報(bào)道了一種生物兼容和可生物降解的蛋白質(zhì)基粘合劑，無(wú)需共價(jià)鍵，由陽(yáng)離子超荷電多肽和陰離子十二烷基苯磺酸鈉表面活性劑組成的復(fù)合物，賴(lài)氨酸與表面活性劑的摩爾比為 1:0.9，在多重超分子相互作用驅(qū)動(dòng)下，從而實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)粘附，達(dá)到16.5 MPa，是常規(guī)生物膠水的10倍。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Ultra-strong bio-glue from genetically engineered polypeptides”為題發(fā)表在《Nature Communications》。

【生物膠的設(shè)計(jì)與制備】

傳統(tǒng)的聚合物膠粘劑通過(guò)涂層表面粗糙度和延緩粘接接頭的斷裂來(lái)實(shí)現(xiàn)高粘接強(qiáng)度。一般需要原位聚合或反應(yīng)性單體的交聯(lián)，這些單體形成永久性的、非自適應(yīng)的共價(jià)鍵或網(wǎng)絡(luò)。最近，基于超分子界面鍵形成的體系，如鄰苯二酚或主客體基序，引起了大家的興趣。然而，它們?cè)诃h(huán)境條件下不能提供強(qiáng)大的粘附強(qiáng)度。在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法滿(mǎn)足生物降解性。由于生物大分子可以在合理的時(shí)間尺度上通過(guò)生物化學(xué)過(guò)程降解，因此生物大分子可以作為粘接線(xiàn)應(yīng)用于膠水中。例如在傷口愈合過(guò)程中，蛋白酶在基質(zhì)微環(huán)境中增多，并積極降解外源性實(shí)體和原生成分。研究者們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種彈性基粘合劑、血液來(lái)源的纖維蛋白密封劑和其他天然來(lái)源的粘合劑基質(zhì)，但都需要通過(guò)熱或紫外光照射進(jìn)行費(fèi)時(shí)費(fèi)力的預(yù)處理，以形成主要的共價(jià)鍵，有可能對(duì)受損組織造成二次損傷。

理想的用于再生醫(yī)學(xué)的粘接劑應(yīng)該將生物相容性和可降解性與高粘接劑強(qiáng)度結(jié)合起來(lái)，同時(shí)仍然具有適應(yīng)性和靈活性。為了解決上述難題，作者提出了增壓多肽基膠粘劑系列的設(shè)計(jì)。這些膠是由靜電絡(luò)合陽(yáng)離子多肽和陰離子芳香表面活性劑形成的，避免了在膠合過(guò)程中形成共價(jià)鍵。非共價(jià)鍵組合產(chǎn)生超高的斷裂強(qiáng)度，超過(guò)已知的蛋白質(zhì)基粘合劑一個(gè)數(shù)量級(jí)，能使外皮創(chuàng)面和內(nèi)臟器官缺損迅速愈合，同時(shí)加速創(chuàng)面愈合。

圖1:SUP-SDBS膠系的制備與研究

【生物膠的表征及應(yīng)用】

熱重分析(TGA)表明,SUP-SDBS復(fù)合物表現(xiàn)出的含水量~ 42% (w / w)。制作完成后，通過(guò)搭接剪切試驗(yàn)研究了SUP膠的體粘接強(qiáng)度。K72-SDBS和商用氰基丙烯酸酯膠(作為比較)應(yīng)用于玻璃、鋼、鋁、聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)等各種基材上。K72-SDBS膠在高能表面(玻璃或金屬)粘附較強(qiáng)，斷裂強(qiáng)度為11.0 ~ 14.0 MPa，與氰基丙烯酸酯膠相當(dāng)。這可以用膠水和表面之間的化學(xué)相互作用和機(jī)械聯(lián)鎖的勢(shì)能來(lái)解釋。在低能量表面(PVC或PE)， SUP膠水的附著力減少，但仍然像氰基丙烯酸酯一樣強(qiáng)，是最強(qiáng)的商業(yè)可用的粘合劑之一。對(duì)膠粘劑的lap - shear研究表明，黏附強(qiáng)度隨著SUP摩爾質(zhì)量的增加而增加，黏附強(qiáng)度可調(diào)節(jié)在3.0 - 16.5 MPa之間。

作者研究了SUP膠在體內(nèi)和體外的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的適應(yīng)性。作者使用SUP-SDBS復(fù)合物將兩片豬心臟、肌肉、肝臟和皮膚粘在一起，單向拉伸測(cè)試記錄相應(yīng)的force-extension曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表征了SUP膠對(duì)肌肉、肝臟和皮膚組織的粘附性能，其粘附能分別為80 J m-2、45 J m-2和6 J m-2。在人類(lèi)皮膚和眼瞼上進(jìn)行了用于化妝品和皮膚保健的粘合劑應(yīng)用概念驗(yàn)證。

作者采用自定義線(xiàn)性切口和圓形開(kāi)口的大鼠模型進(jìn)行傷口愈合的系統(tǒng)體內(nèi)評(píng)價(jià)。采用4種不同的動(dòng)物組進(jìn)行傷口處理，包括空白、縫合、商業(yè)醫(yī)用粘接劑COMPONT和SUP膠。采用SUP膠治療組，將SUP膠調(diào)整至切口處，將創(chuàng)面密封嚴(yán)密。在8天內(nèi)定量評(píng)估愈合進(jìn)度。5 天后，與其他各組相比，SUP膠修復(fù)創(chuàng)面面積明顯增加，說(shuō)明SUP膠具有皮膚再生能力。第8天，用SUP膠處理的大鼠創(chuàng)面面積為4%，幾乎不可見(jiàn)瘢痕，效果優(yōu)于商用醫(yī)用膠粘劑。在一項(xiàng)關(guān)于圓形傷口的傷口敷料的研究中也觀(guān)察到類(lèi)似的趨勢(shì)。從這些實(shí)驗(yàn)中可以看出，SUP膠對(duì)不同形狀的傷口具有積極的促進(jìn)止血和加速愈合的作用。與縫合線(xiàn)閉合和商業(yè)化學(xué)粘合劑形成鮮明對(duì)比的是，SUP膠水具有可生物降解的性質(zhì)和超分子結(jié)合特性，可能很好地適應(yīng)了基質(zhì)和組織的動(dòng)力學(xué)，這可能解釋了皮膚缺陷加速愈合和再生的原因。

圖4:創(chuàng)傷后大鼠皮膚組織的組織學(xué)研究表明，SUP膠促進(jìn)傷口愈合和組織再生。

圖3:SUP膠用于濕組織粘連和傷口止血的定量及應(yīng)用。

綜上，作者制備了有強(qiáng)勁粘附強(qiáng)度的生物膠水，復(fù)雜的非共價(jià)相互作用在干態(tài)和濕態(tài)中建立了強(qiáng)大的粘附和內(nèi)聚。在各種硬基材和軟組織上的實(shí)驗(yàn)表面，所制備的生物膠水的粘附性能是迄今為止報(bào)道的所有其他生物激發(fā)蛋白基粘合劑的十倍以上。陽(yáng)離子SUP靜電與芳香族表面活性劑的超分子絡(luò)合，使SUP膠具有超強(qiáng)的粘合力和可生物降解性。這種獨(dú)特的特性使這種材料非常適合美容護(hù)膚應(yīng)用，并可作為體內(nèi)生物膠，使手術(shù)后的組織再生，發(fā)揮快速止血、避免炎癥反應(yīng)和加速愈合的作用，為傷口愈合研究提供新機(jī)遇。