研究簡介:可注射的組織粘合劑因其便捷的輸送方式和高形狀適應(yīng)性而在臨床上被廣泛應(yīng)用，尤其是在止血和組織修復(fù)方面。然而目前的組織粘合劑在凝膠化速率上存在局限性，無法根據(jù)不同的臨床需求進行精細(xì)調(diào)節(jié)。此外，快速凝膠化對于止血至關(guān)重要，而緩慢且可控的凝膠化則有利于填充不規(guī)則形狀的傷口。因此，開發(fā)一種能夠精確調(diào)節(jié)凝膠化時間的組織粘合劑具有重要的臨床意義。研究人員提出了一種利用硼砂調(diào)節(jié)酰胺化反應(yīng)速率的策略。硼砂作為一種傳統(tǒng)的中藥，具有抗菌、抗病毒等多種生物活性。在化學(xué)上，硼砂是一種強堿弱酸鹽，能夠在水中水解并建立弱堿性緩沖環(huán)境，從而促進氨基的去質(zhì)子化過程，加速酰胺化反應(yīng)。

實驗中，研究團隊使用了聚乙二醇-溶菌酶（PEG-LZM）作為模型粘合劑，通過改變硼砂的濃度來調(diào)節(jié)凝膠化時間，并通過一系列實驗驗證了硼砂對凝膠化時間的調(diào)節(jié)效果、物理性質(zhì)的影響、抗菌能力的增強以及在體外和體內(nèi)的生物相容性。研究表明硼砂不僅能夠通過其pH緩沖能力調(diào)節(jié)凝膠化時間，還能增強水凝膠的抗菌性能，同時保持其物理性質(zhì)不變。這種通過硼砂調(diào)節(jié)的PEG-LZM水凝膠在快速止血和微創(chuàng)治療方面具有顯著優(yōu)勢。盡管硼砂具有抗菌性能，但PEG-LZM/硼砂水凝膠仍保持了良好的細(xì)胞親和性和組織/血液相容性，這表明該材料在臨床應(yīng)用中具有較高的安全性。這項研究不僅為調(diào)節(jié)水凝膠的凝膠化動力學(xué)提供了一種簡單而有效的方法，還為開發(fā)具有多種生物活性的新型組織粘合劑開辟了新的途徑。通過精確控制凝膠化時間，這種水凝膠可以滿足不同的臨床需求，如緊急止血和微創(chuàng)治療，具有廣闊的應(yīng)用前景。

Unisense微電極研究系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極系統(tǒng)被用于測量溶液或水凝膠的pH值。使用了Unisense微電極研究系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含pH微電極（尖端直徑為100μm）。在每次測量之前，都會進行校準(zhǔn)，以確定電位與pH值之間的對應(yīng)關(guān)系，并生成標(biāo)準(zhǔn)曲線。將清潔的pH工作電極和參比電極同時插入到溶液或凝膠（凝膠化后12小時）中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線獲得不同樣品的pH值。通過精確測量pH值，Unisense微電極系統(tǒng)幫助研究人員了解硼砂對溶液pH的調(diào)節(jié)作用，以及這種調(diào)節(jié)如何影響PEG-LZM水凝膠的凝膠化動力學(xué)。

實驗結(jié)論

實驗結(jié)果表明，通過改變硼砂的濃度，PEG-LZM水凝膠的凝膠化時間可以從幾秒到幾分鐘不等，而其物理性質(zhì)保持不變。具體來說，當(dāng)硼砂濃度為20 mg/mL時，凝膠化時間可以縮短至3秒。此外，加入硼砂后，水凝膠的抗菌能力得到顯著提高，對金黃色葡萄球菌（S.aureus）和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）的抑制效果更強。在體內(nèi)實驗中，用PEG-LZM/硼砂水凝膠處理的傷口顯示出較少的炎癥反應(yīng)和細(xì)菌數(shù)量。盡管凝膠化時間發(fā)生了變化，但水凝膠的物理性質(zhì)（如粘彈性、機械強度和組織粘附能力）保持不變。這表明硼砂的加入并未對水凝膠的基本性能產(chǎn)生負(fù)面影響。實驗還評估了PEG-LZM/硼砂水凝膠的細(xì)胞親和性和組織/血液相容性。結(jié)果表明，即使在高濃度硼砂（10 mg/mL）的情況下，水凝膠仍能支持細(xì)胞生長，并且在體內(nèi)實驗中顯示出良好的組織相容性和血液相容性。

圖1、（a）PEG-LZM水凝膠的凝膠化時間可以通過中藥（硼砂）輸入策略進行調(diào)節(jié)，該策略提供初始堿性緩沖以促進氨基的去質(zhì)子化過程并加速酰胺化反應(yīng)。（b）對于應(yīng)用，模型1代表了一個緊急治療案例。凝膠化時間最快（≤3 s）的PEG-LZM可以立即閉合兔左心室壁缺損并止血。模型2代表微創(chuàng)治療案例?？梢哉{(diào)節(jié)凝膠時間以匹配水凝膠前體在導(dǎo)管中的流動時間，這為深層組織傷口的微創(chuàng)閉合鋪平了道路。同時硼砂摻入可以提高水凝膠的抗菌能力。

圖2、（a）前驅(qū)體A的pH值和（b）PEG-LZM/硼砂水凝膠的凝膠化時間隨前驅(qū)體A中不同硼砂濃度的變化而變化。插件顯示了在1.5–3.5 mg mL的低硼砂下測得的數(shù)據(jù)。硼砂濃度的凝膠化時間遵循指數(shù)方程。

圖3、定制凝膠的離體建模（a）將混合膠凝溶液均勻噴灑在（1）豬皮和（2）心肌上，并瞬間凝固以密封模型傷口，即使有噴涌的水也是如此。（b）在體外模擬PEG-LZM/硼砂水凝膠的微創(chuàng)遞送，混合膠凝溶液在微創(chuàng)導(dǎo)管中平穩(wěn)飛行，并在很短的時間內(nèi)在出口處凝固以密封管頂部。

圖4、PEG-LZM/硼砂水凝膠抗菌活性的評價。（a）金黃色葡萄球菌和大腸桿菌分別暴露于PEGLZM或PEG-LZM/硼砂水凝膠后形成的細(xì)菌菌落的照片。（b）不同樣品的抗菌率。（c）不同樣品表面MRSA生物膜的Live/Dead熒光染色和SEM觀察照片。（d）體內(nèi)抗菌研究。使用商用3 M敷料或PEG-LZM/硼砂水凝膠治療的傷口照片。（e）從傷口區(qū)域收集細(xì)菌并在瓊脂糖凝膠培養(yǎng)基上培養(yǎng)。（f）通過H&E染色對周圍傷口進行組織學(xué)分析。

圖5、PEG-LZM/硼砂水凝膠的細(xì)胞親和力和生物相容性。（a）C2C12細(xì)胞和L929細(xì)胞在孔板和水凝膠表面的細(xì)胞擴散形態(tài)（細(xì)胞骨架熒光染色）。（b）不同組的平均細(xì)胞鋪展面積依賴于免疫熒光染色。（c）接種在PEG-LZM/硼砂表面不同時間的細(xì)胞的活/死免疫熒光染色。（d）接種在PEG-LZM/硼砂上的細(xì)胞增殖與接種在細(xì)胞板上接種1天的細(xì)胞標(biāo)準(zhǔn)化。（e）PEG-LZM/硼砂水凝膠的體內(nèi)生物相容性。（植入1周后PEG-LZM/Borax水凝膠的照片，以及周圍組織的H&E染色）（f）不同樣品的溶血比率。

結(jié)論與展望

凝膠動力學(xué)對于為不同應(yīng)用定制化學(xué)交聯(lián)水凝膠基注射粘合劑非常重要。然而凝膠速率的調(diào)節(jié)通常僅限于改變凝膠前體和/或交聯(lián)劑濃度，這不能達到精細(xì)水平，不可避免地會改變水凝膠的物理性質(zhì)。酰胺化反應(yīng)廣泛用于合成水凝膠粘合劑。在這項工作中，研究人員提出了一種中醫(yī)（Borax）輸入策略來調(diào)節(jié)酰胺化反應(yīng)觸發(fā)系統(tǒng)的凝膠化速率。硼砂不僅能夠通過其pH緩沖能力調(diào)節(jié)凝膠化時間，還能增強水凝膠的抗菌性能，同時保持其物理性質(zhì)不變。Unisense微電極系統(tǒng)在本研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，通過其高精度和微米級空間分辨率，能夠?qū)崟r監(jiān)測和記錄溶液或水凝膠的pH變化。這使得研究人員能夠準(zhǔn)確地評估硼砂對凝膠化過程的影響，為開發(fā)具有精確凝膠化時間控制的新型組織粘合劑提供了重要的實驗依據(jù)。

硼砂提供了一個初始的基本緩沖環(huán)境，以促進氨基的去質(zhì)子化過程并加速該反應(yīng)。通過使用組織膠粘劑模型PEG-溶菌酶（PEG-LZM），凝膠化時間可以從幾秒鐘調(diào)節(jié)到幾分鐘，硼砂濃度不同，而物理性質(zhì)保持不變。此外由于硼砂的生物活性，可以提高抗菌能力?？梢哉{(diào)節(jié)水凝膠前體以立即凝固，以在緊急情況下閉合出血傷口。同時它們還可以定制以匹配導(dǎo)管中的流動時間，從而促進微創(chuàng)組織密封。這種通過硼砂調(diào)節(jié)的PEG-LZM水凝膠在快速止血和微創(chuàng)治療方面具有顯著優(yōu)勢。例如在兔子左心室壁缺損模型中，該水凝膠能夠在幾秒鐘內(nèi)迅速封閉傷口并止血。此外，它還可以通過微創(chuàng)方式輸送至深部傷口，如胃穿孔，實現(xiàn)組織密封。研究不僅為調(diào)節(jié)水凝膠的凝膠化動力學(xué)提供了一種簡單而有效的方法，還為開發(fā)具有多種生物活性的新型組織粘合劑開辟了新的途徑。通過精確控制凝膠化時間，這種水凝膠可以滿足不同的臨床需求，如緊急止血和微創(chuàng)治療，具有廣闊的應(yīng)用前景。