加拿大阿尔伯塔大学陈凌云《AFM》:可吸收的具有生物粘附性的自愈合水凝胶用于止血和骨再生!

骨组织是生物体内一类非常复杂、具有刚性但是又高度有序的结缔组织。在骨科手术中，大面积的骨出血及骨断裂是一类非常棘手的问题。当出血量过大时，血液就会覆盖住手术部位，使手术不能进行；同时出血量过大也会引起一系列的术后并发症。所以，如何减少手术中的骨出血就成为了一个重要问题。虽然已有许多止血剂在临床上获得应用，但是它们都需要通过压迫出血部位进行止血。当某些特殊部位（比如内脏，关节）不适合进行压迫止血时，这些止血剂则无能为力；同时已有报道表明这些止血剂对于术后骨再生有一定的干扰作用。从这个角度讲，发展无需外力挤压同时不干扰后续骨再生的新型止血剂就显得很有必要。可自愈合水凝胶，由于其具有许多优良的特性而受到广泛的关注。但是，传统的自愈合水凝胶往往缺乏组织粘附性能，因此发展具有自愈性且同时能够粘附在组织上的新型水凝胶就迫在眉睫。

在此背景下，加拿大阿尔伯塔大学陈凌云课题组和广东省人民医院张余课题组合作发展了一种可以被吸收的同时具有粘附性的自愈性水凝胶，可以在无需压迫条件下实现止血同时不干扰骨再生。该工作近期发表在《Adv. Funct. Mater.》上。

图1：可自愈型水凝胶的合成。图片来源：Adv. Funct. Mater.这个新型的自愈合水凝胶的构建是基于天然高分子材料。首先，通过酰胺键偶联，作者在壳聚糖中引入了邻苯二酚基团，得到壳聚糖衍生物CHI-C。反应前的壳聚糖仅仅可以溶解在酸性溶液中，但是被修饰后的CHI-C在中性溶液中也能很好地溶解。另外，纤维素首先被水解产生纤维素纳米晶须，再通过NaIO₄氧化得到了含有两个醛基的纤维素纳米晶须（DACNC）。由于氨基会与醛基可逆地形成席夫碱，所以当在室温下把CHI-C水溶液与DACNC水溶液混合时，二者会立即发生反应形成水凝胶（图1）。

图2：水凝胶的流变性质。图片来源：Adv. Funct. Mater.在发展出合成目标水凝胶的策略后，作者首先研究了其流变性质（图2）。对于含有确定邻苯二酚含量的CHI-C，当增加DACNC的质量比例时（从1/0到1/1），水凝胶的储能模量会相应增加；但是当继续增加DACNC的比例时（从1/1到1/3），储能模量值则又稍微降低。作者推测这可能是因为在DACNC比例较低时，增加其含量会提高其与CHI-C的交联作用；但是当DACNC的含量过量时，其会发生聚集进而降低其分散性，最终减弱形成交联形成的网络密度。当固定CHI-C与DACNC的质量比例时，对于含有不同邻苯二酚含量的CHI-C，其形成水凝胶的储能模量值会先随着其含量增加而增强，然后又降低。作者推测这可能是过量的邻苯二酚会降低CHI-C中氨基的含量，从而降低形成席夫碱的强度。总的来说，为了获得具有最优流变性能的水凝胶，需要调节引入到CHI-C中邻苯二酚的含量，同时需要调节CHI-C与DACNC的质量比例。

图3：水凝胶的粘附性质。图片来源：Adv. Funct. Mater.作者随后评估了所获得水凝胶的粘附性（图3）。结果表明，粘附强度会随着邻苯二酚含量的增加而增强（图3A）；在CHI-C与DACNC的质量比例位于1/0-1/1区间时，其强度也随着DACNC含量的增加而增强。传统的基于邻苯二酚的组织黏附剂需要在氧化剂等的作用下才能产生黏附性能，DACNC作为交联剂加入CHI-C可以使得其快速形成凝胶。作者对比了在有氧化剂和无氧化剂存在时的粘附强度：在氧化剂NaIO₄存在时，由于其能够氧化邻苯二酚为醌，对于单纯的CHI-C溶液，可以显著提高其黏附性能，但是对于添加了DACNC交联剂的凝胶，其黏附性能增加不显著。

图4：水凝胶的自愈注射及可塑性质。图片来源：Adv. Funct. Mater.作者也探索了所合成水凝胶的自愈合性、可注射性及可塑性。如图4所示，所合成水凝胶可以在断裂后重新恢复，可以通过注射器被注射到不同模具中形成特定形状，同时该凝胶还可以根据模具形状而变成不同的形状。这些性质证明了该类凝胶具有良好的可自愈性、可注射性及可塑性。

图5：水凝胶的细胞毒性及溶血性质评估。图片来源：Adv. Funct. Mater.虽然壳聚糖及纤维素晶体被认为无毒，具有良好的生物相容性，作者仍然评估了由这两种材料合成得到的水凝胶的潜在毒性（图5）。对照反应表明，该水凝胶对于细胞生长并无抑制作用。溶血实验表明，该水凝胶和血液也能良好兼容。作者也评估了该凝胶在体外对于血液的凝聚效能：结果表明CHI-C/DACNC凝胶具有很好的血液凝聚能力。接着，作者研究了该凝胶对于活体止血性质的研究（图6）。通过一系列对照实验，作者发现该CHI-C/DACNC凝胶具有和传统骨蜡一样优秀的活体止血效果；但是和骨蜡相比，CHI-C/DACNC凝胶具有更好的生物相容性，从而说明了CHI-C/DACNC凝胶可以作为统传骨蜡的替代品来用于止血。

图6：活体止血性能评估。图片来源：Adv. Funct. Mater.最后作者评估了该凝胶材料对于活体骨再生的影响（图7，图8）。利用传统CT扫描技术，对比结果表明，虽然CHI-C溶液和CHI-C/DACNC凝胶都能促进骨再生，但是CHI-C/DACNC凝胶效果更明显（图7）。通过骨再生组织学评估，作者发现CHI-C/DACNC凝胶能够很好地与母体组织黏附，在不引起炎症的前提下促进骨修复过程；作为对比，传统的骨蜡会引起炎症同时骨修复效果也不如CHI-C/DACNC凝胶（图8）。

图7：骨修复性能对比。图片来源：Adv. Funct. Mater.

图8：骨再生组织学评估。图片来源：Adv. Funct. Mater.总结：在这篇文章中，LINGYUN CHNE课题组及张余课题组合作报道了一种由CHI-C和DACNC为原料制备而来的新型可自愈型水凝胶。该水凝胶具有良好的力学性质，粘附性质及可注射性；同时作者还证实了该凝胶无毒，能够与细胞和血液兼容；另外，该凝胶还具有止血功能，同时能促进骨组织的修复与再生。考虑到该凝胶是由来源广泛的天然高分子--壳聚糖及纤维素--合成得到，可以预见其将会在止血相关领域发挥重要作用，获得广泛应用。

文章基本信息：Huang, W., Cheng, S., Wang, X., Zhang, Y., Chen, L., Zhang, L., Noncompressible Hemostasis and Bone Regeneration Induced by an Absorbable Bioadhesive Self‐Healing Hydrogel. Adv. Funct. Mater. 2021, 2009189. https://doi.org/10.1002/adfm.202009189来源：高分子科学前沿
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