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慎入!閱讀可能會產生嚴重不適!但你會了解UV光固化如何深入改變人類生活

  我們之前曾經發過一篇文章《用UV膠讓你的傷口快速愈合》。如果你還沒有看過這篇文章,強烈建議你首先點擊閱讀之前的那篇文章。

  水凝膠(Hydrogel)是以水為分散介質的凝膠,同時其中有很多交聯的結構,這使得它可以吸收大量的水分但并不會溶解于水中。人體的70%是由水組成的,因此人體可以被看作是由生物高分子所組成的水凝膠物體。因為這個原因,人工合成以及從天然高分子改性得到的水凝膠被廣泛的各種用于醫療材料中。

  粘合劑(Adhesive)是用來將兩種分離的材料粘接在一起的功能性材料,也常被稱為“膠”。對于一個好的粘合劑來說,從強度方面有兩個指標很重要,一個是對粘接材料的結合強度,另外一個是自身的強度。如果和粘接材料的結合強度不夠,那么膠就可能和所粘接材料之間發生分離破壞;如果膠本身的強度不夠,那么膠自身就可能會被受到破壞。因此一個好的粘合劑這兩個強度指標都非常重要。

  血液循環系統是人體結構的重要組成部分,為了讓血液能夠在系統中循環流動,那么就需要通過心臟來產生壓力,因此血管中就存在了血壓。人體的正常血壓為收縮壓120-139mmHg,舒張壓80-89mmHg。當身體出現了傷口的時候,因為存在血壓,所以血會流出來。不同血管中的血壓是不同的,主動脈血管中的血壓是很高的,心臟中的血壓就更高了。《用UV膠讓你的傷口快速愈合》文章中所提到美國哈佛醫學院等采用UV膠對傷口的愈合處理,主要是對一些體表創傷或者肺部創傷進行處理,這些部位的血壓都很低,因此膠本身的強度更加重要,而膠對基體的粘接強度要求并不太高。


  由浙江大學醫學院歐陽宏偉教授團隊和華東理工大學朱麟勇教授合作完成一項劃時代的工作,可以采用UV光固化膠對主動脈或心臟上面的創口進行快速的強力止血,這種UV膠可以耐受高達290mmHg的血壓。該工作發表在今年5月14日的《自然(Nature)》雜志子刊《自然-通訊(Nature Communications)》上面。我們先來看看一組動圖吧(這就是可能引起嚴重不適的部分)。

  從上面的動圖中可以看到,即使是在心臟上面的很大創口,用這種UV光固化的膠也可以在30秒鐘之內將傷口止血(必須說明一下,這個心臟是用來做實驗用的活豬心臟)。

  實驗中所用到的這種UV光固化膠,就是一種水凝膠型粘合劑。它具有足夠的內部強度以及可以和生物組織形成很強的結合力。止血材料要求不能對傷口的愈合以及手術的外科密封膠有負面的影響,同時不能有毒性或導致發炎的情況發生。對于這一止血材料的實驗表明,手術后在水凝膠和機體組織的界面上存在一些炎性細胞,這說明手術后存在一定程度的術后炎癥反應,但兩周內就發生了非炎性分裂細胞的漸近生長和遷移,這說明炎癥情況很快就消失了。用于對比的其他止血材料卻出現了嚴重得多的炎癥反應。

  在豬身上的實驗表明,對手術后的豬進行兩周的喂養,其心電圖數據沒有任何異常。豬的血壓在手術后一周內有輕微的上升,這可能是因為麻醉和手術驚嚇所致,但在第二周血壓就恢復了正常。

圖1基質水凝膠在豬心臟穿刺傷模型中的止血性能。a 手術操作的示意圖;b 在心臟穿刺傷之后快速止血和封閉的總視圖:豬心臟的左心室用一條內徑六毫米的針進行穿刺,馬上導致高壓血的噴出,針移除后血繼續噴出。然后注射了基質凝膠來覆蓋血孔,并快速用UV光照射。在UV引發的快速聚合之后,流血情況在十秒內被完全止住(期間進行了四次實驗操作);c 豬心臟穿孔傷口和水凝膠之間界面的掃描電鏡圖;d 手術兩周后對豬殺死并進行解剖后的心臟圖像顯示,水凝膠和傷口仍然緊密結合,在水凝膠和機體組織之間沒有任何的縫隙。表明在愈合界面上有連續的強粘合;e手術恢復兩周后。對豬心臟組織和基質凝膠之間界面的組織染色圖像。

  下面我們從化學的角度來談一談這個UV光固化的水凝膠粘合劑。

  這種生物仿生的機體組織粘合劑產品在UV光的照射下,在數秒內就可以發生聚合反應,并且和濕的生物機體組織界面發生很強的結合。這一產品的設計思想來源于構成生物結締組織的細胞外基質組成。這些細胞外基質組成是由膠原蛋白(10–15%),氨基葡聚糖(3–6%),和水(70–80%)組成,具有強而韌的生物機械性能。這里所使用的基質水凝膠生物粘合劑的組成為,5%的甲基丙烯酸酯化凝膠(GelMA),1.25%連接到氨基葡聚糖透明質酸上的N-(2-氨乙基)?4-(4-(羥甲基)?2-甲氧基-5-亞硝基苯氧基)丁酰胺(HA-NB),以及0.1%的光引發劑苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰亞膦酸鋰(LAP)。

圖2 水凝膠的化學結構示意圖,及UV光聚合和光引發的亞胺交聯結構的形成機理

  所設計的水凝膠中GelMA:HA-NB的比例同人體結締組織中的膠原蛋白和氨基葡聚糖比例相似。HA-NB聚合物體系和生物基體表現出很好的組織相容性和整合,這可能是因為UV光照產生的醛基和生物基體表面的氨基官能團有著很好的結合。在水凝膠中GelMA組分的引入,既保持了對濕創口的密封性能,同時加速了聚合速度,從而大大增加了這種用于傷口愈合水凝膠的臨床效用。

  實驗表明,這種合成水凝膠具有可控而且快速的基質聚合性能,可以快速的對心臟刺穿傷口進行止血。基質凝膠的有效濕粘接性能來源于光產生的醛基和生物組織表面上氨基的有效結合,其物理機械性能則來源于兩個內部共價鍵交聯的網絡結構。在UV的照射下,GelMA快速生成水凝膠的第一個交聯網絡,同時在生物組織-水凝膠界面處,HA-NB上面由光致產生的醛基和組織蛋白質及蛋白聚糖上的氨基形成席夫堿。水凝膠HA-NB上面由光產生的醛基官能團,和GelMA上面的氨基官能團反應,形成了第二交聯網絡。隨著反應的不斷進行,剩余的醛基官能團和生物組織及GelMA上面的氨基官能團發生反應,從而對生物組織有更好的粘合,也增加了內部的交聯。兩種不同化學交聯結構的網絡使得水凝膠對生物組織的粘附力,以及水凝膠自身的內部強度大大加強。良好的濕組織粘附力和水凝膠的物理機械性能,確保了對傷口閉合的長期穩定性。


  這種水凝膠材料粘度低且易于注射,這使得它對于小血管也便于使用。光固化技術是一種準確和方便的固化技術,醫療上已被廣泛用于牙科手術中。只要采用一個UV光電筒或光纖,這種材料就可以很方便地用于無縫合止血和傷口閉合,使得這一材料成為一個非常有前途的、可用于手術和緊急止血的生物粘合劑。  這一水凝膠材料的止血和傷口閉合性能遠遠大于商業的纖維蛋白膠和SurgifloTM。再加上這種材料的仿生組成和生物相容性,使得這一水凝膠材料成為一種從根本上改進了的止血密封劑。對于生物材料的醫療應用,安全是最高優先級的考量。這一水凝膠材料在體外和術后恢復都表現出優異的生物相容性,不過這些測試現在都還是在安全測試的初級階段。對于這一材料是否具有長期的潛在毒性,后續還需要做更多的深入研究。

  我們希望隨著科學家們對這一技術的不斷完善和進一步的臨床實驗,能夠讓這一革命性的技術盡快應用于臨床,造福更多的外科病人。UV光固化技術,就是這樣在不斷改進人類的生活!

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