许多手术需要将手术网牢固地固定在目标区域，以加强组织、支撑器官或修复伤口。常见的连接方法包括缝合、钉书钉和螺旋钉，但它们会损坏组织并延长手术时间。粘附被认为是将手术网片附着到组织的一种有前途的替代方法，但现有的粘附方法对于大多数应用来说太弱了。最近，西安交通大学卢同庆教授、哈佛大学锁志刚院士团队共同开发了水凝胶和手术网的复合材料，可以牢固而稳定地粘附在组织上。团队展示了水凝胶-网状复合材料在伤口闭合中的应用，特别是在高压或大张力下的组织上。相关论文以题为发表在《ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica》上。
团队通过开发称为水凝胶-网状复合材料(HMC)的材料家族，可以显着拓宽手术网的功能。HMCs保留了手术网的所有属性，并增加了一个：对组织的粘附。通过用前体浸泡手术网来制造HMC，在固化后，前体形成水凝胶的聚合物网络，与手术网的纤维发生宏观拓扑纠缠。在手术中，HMC被压到组织上，水凝胶中的聚合物与组织形成共价键。为了演示这个概念，团队使用了聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）/壳聚糖水凝胶和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）手术网。在生物偶联剂存在下，壳聚糖与组织形成共价键，粘附能达到J·m-2以上。在体温下，PNIPAAm变得疏水，因此水凝胶不会膨胀并且粘附稳定。与缝合手术网相比，HMC将力分布在大面积上。进行体外实验以研究HMC在伤口闭合中的应用，特别是在高机械应力下的组织上。在绵羊的手术中进一步研究了HMCs在动态活组织上的性能。
水凝胶具有两种类型的长聚合物链：I型聚合物形成共价网络，II型聚合物带有用于粘附到组织的官能团（图1A）。为了从组织剥离HMC，II型聚合物和组织之间的强键将力传递到I型聚合物的共价网络中。
图1水凝胶-网状复合材料（HMC）的设计和潜在优势。
当HMC用于闭合伤口时，手术网作为骨架在张力下分配力（图1B）。相比之下，缝合伤口闭合会导致组织中的应力集中（图1C）。另请注意，水凝胶本身通常太弱，无法抵抗大的张力（图1D）。此外，水凝胶中的微孔以及手术网片中的大孔使水和其他小分子能够在HMC中迁移，因此HMC可用作组织再生的支架和载体用于药物输送。HMC将拓宽外科网片在组织修复、密封、止血和伤口闭合方面的应用，特别是在高机械应力下的组织上。
团队使用特定的材料系统制造HMC。由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)长丝编织而成的手术网布，孔径约为50μm，置于玻璃模具中。壳聚糖聚合物链混合在聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）水凝胶的前体中。当前体倒入模具中时，溶液会渗入手术网的孔中。响应紫外线(UV)光，NIPAAm单体聚合成网络（图2A）。PNIPAAm网络与壳聚糖链形成分子间物理缠结，并与PET细丝形成宏观拓扑缠结。HMC集成了壳聚糖链、PNIPAAm网络和PET网。该复合材料有望具有良好的生物相容性。
图2一种水凝胶-网状复合材料(HMC)，其中水凝胶具有两种类型的长聚合物：PNIPAAm（I型）和壳聚糖（II型）。
团队使用EDC/NHS偶联剂的水溶液将HMC粘附到组织上。壳聚糖链上的氨基（-NH2）与组织上的羧基（-COOH）形成共价键（图2B）。在体温下与组织接触，PNIPAAm网络收缩并抵抗膨胀（图2C）。伤口闭合贴片应具有大的弯曲顺应性以符合器官的曲面，并应具有大的拉伸刚度以抵抗组织张力。水凝胶本身易于弯曲和拉伸。相比之下，HMC具有较大的弯曲柔量和拉伸刚度（图2D）。
团队将一块带有2厘米直径孔的猪肝脏安装到一个腔室中，并在肝脏上粘附一个厚度为微米的HMC以覆盖孔（图3A）。当注射器将液体泵入腔室时，HMC会膨胀（图3B）。相比之下，在没有网孔的情况下通过粘附相同厚度(μm)的PNIPAAm/壳聚糖水凝胶来覆盖孔时，爆破压力为12毫米汞柱。水凝胶破裂，但粘附完好（图3C）。与完整的肝片相比，粘附的样品具有类似的拉伸强度，约为kPa。然而，当两个肝瓣被一块相同厚度（μm）的纯水凝胶桥接时，样品在~20kPa的应力下破裂（图3D）。
图3HMC的机械测试粘附在受伤的组织上。
团队评估了HMC对三种组织创伤的止血和即时密封效果。HMC可以粘附在受伤组织上以进行止血或修复（图4A）。HMC顺应动脉曲面，与组织形成强粘连以止血（图4B）。HMC与肺黏附力强，用镊子难以分离（图4C）。
图4HMC在羊手术中的应用。
团队也演示一个称为鞋带粘合剂伤口闭合的程序。在两片HMC中缝合几根缝线，将缝合的HMC粘在伤口上，然后像鞋带一样拉动缝线（图4D）。作为演示，在羊的肝脏上做了一个大约30毫米的切口，并沿着切口的两侧粘附缝合的HMC。在拉线之前，伤口会流血。收紧并打结缝线后，伤口停止流血（图4E）。
提出了一种称为HMC的设计，它通过增加一个重要特性来拓宽手术网的功能：与组织的强粘附力。HMC可以通过多种粘附策略和多种水凝胶材料和手术网片来制造。团队通过使用PNIPAAm/壳聚糖HMC的特定系统来说明这一概念，该系统可以在生理环境下与各种组织形成牢固且抗膨胀的粘附。团队证明了强粘附力和大拉伸刚度的结合使HMC能够密封伤口以抵抗血压并在组织张力下桥接切口。还提出了使用HMC进行伤口闭合的鞋带粘合剂程序。HMC可能为临床手术的创新打开大门。
参考文献：
doi.org/10./pnas.
版权声明：「水凝胶」旨在分享学习交流高分子聚合物胶体学等领域的研究进展。编辑水平有限，上述仅代表个人观点。投稿，荐稿或合作请后台联系编辑。感谢各位