Bioactive Materials文章分享 | 用于器官移植的磁辅助水凝胶粘结方法-上海格索普生物科技有限公司

用于器官移植的磁辅助水凝胶粘结方法

近年来，生物组织的粘接技术因其广泛的需求以及许多优点不断发展。水凝胶作为其中的代表性材料自然引发了材料学家及医生的广泛关注。

然而，对于新开发的水凝胶粘接剂及粘接技术，能否将其应用于实际临床手术环境非常关键。因此，研究水凝胶在生物体内的反应，改进水凝胶的材料设计，进而将改进后的水凝胶应用于外科手术，成为当下的研究热点。

近日，有学者提出磁辅助-水凝胶粘接方法，成功应用于大动物的肝移植手术中, 术后动物恢复良好，研究成果以《Adhesive anastomosis for organ transplantation》为题发表在生物医学领域顶级期刊《Bioactive Materials》（影响因子14.593），该文章配图由格索普生物创作。

血管缝合法与“磁辅助-水凝胶粘接”技术

血管缝合法具有许多优势，但是操作复杂、缝合时间长。对于“争分夺秒”的肝脏移植手术来讲，传统“一针一线”式的手工缝合法显然无法满足医生和患者的需求，目前尚且需一种新型的血管吻合技术。

本工作使用强韧可降解水凝胶粘接技术，用于器官移植过程中的血管粘合。血管外翻后，该粘接技术作用于血管内皮以保证血管重建。初始阶段借助于两端血管磁环相互作用，使血流在短时间恢复流动；水凝胶粘接逐渐与血管内皮形成强共价键。撤去磁环后，水凝胶粘接维持正常血压。随着血管内皮的再生，水凝胶逐渐降解并最终完成血管重建（见下图1）。

图1. 传统血管缝合法与“磁辅助-水凝胶粘接”技术对比

水凝胶结构及粘结原理

本文采用的水凝胶由双层网络组成（见下图2）：由钙离子交联的海藻酸钠网络、由二硫键交联的聚丙烯酰胺网络。胶水为壳聚糖、EDC/NHS 的水溶液，使用时胶水施加在水凝胶与组织之间，以共价键的方式粘连组织。

该水凝胶强韧粘接原理：在 EDC/NHS 作用下，壳聚糖上的胺与组织和藻酸盐上的羧基形成肽键，壳聚糖充当组织和水凝胶之间的桥接聚合物。在剥离过程中，钙离子交联的海藻酸钠网络具有耗散作用，强粘接层与水凝胶耗散作用产生高粘接能。

该水凝胶的降解原理是：体液中的钠离子与钙离子交换可以降解海藻酸钠的交联网络；体液中的还原作用如半胱氨酸与二硫键反应可以降解聚丙烯酰胺的交联网络。本文重点介绍这种水凝胶在血管吻合术中的应用。

图2. 强韧、可降解水凝胶与生物组织的粘接及降解原理

体外实验

作者首先开展了体外实验，进行了水凝胶与血管组织的粘接强度测试，耐水流测试、爆破压测试，吻合时间测试，结果见下图3。

图 3. 磁辅助血管吻合体外实验 (A) 各种常见组织粘接剂与猪血管的粘接强度 (B) 180度剥离测试 (C) 粘接强度随压迫时间的变化 (D) 使用的磁环、垫圈与水凝胶 (E) 磁辅助血管吻合体外实验操作步骤 (F) 各种常见组织粘接剂血管端对端粘接强度 (G) 粘接后的血管在50 毫米汞柱压力的水流中维持24小时后保持正常 (H) 爆破压力测试装置 (I) 完成粘接的血管无需缝合可承受~160 mm Hg 压力，稀疏缝合时可承受~200 mm Hg 压力 (J) 临床血管吻合对吻合口的密集缝线 (K) 水凝胶粘接血管吻合术和传统缝合吻合术的操作时间比较。血管端端吻合进行一次吻合，血管移植时需进行两侧吻合。

细胞毒性、生物相容性及可降解性研究

本研究发现水凝胶对人脐静脉内皮细胞没有毒性，不会引起人外周血单核细胞的炎症反应发生，在动物体内的组织相容性良好，放置一个月后水凝胶可以完全降解，动物组织可以完全愈合。

图 4. 水凝胶的细胞毒性、生物相容性以及动物体内可降解性 (A) 水凝胶浸提液作用于人脐静脉内皮细胞（HUVEC）后的免疫荧光图像 (B) 不同浓度水凝胶浸提液对HUVEC 的存活率影响 (C) 水凝胶浸提液对人外周血单核细胞 (PBMC)炎症反应的影响 (D) 水凝胶的大鼠皮下埋植实验 (E) 皮下炎症的量化结果 (F) 水凝胶降解对大鼠肌肉组织愈合的影响 (G) 降解过程中水凝胶面积的量化结果。

结果及应用前景

本研究在大动物肝脏移植模型上成功实现了磁辅助-水凝胶粘接血管吻合，术后实验动物恢复良好，肝功能在第8天完全恢复正常。术后38天，对动物尸体进行解剖，结果表明磁辅助-水凝胶吻合的血管完全愈合，无狭窄或血栓等并发症发生。

该水凝胶作为一种新兴的生物组织粘合技术在现阶段还不成熟，但其给器官移植粘合带来了新思路

图 5. “磁辅助-水凝胶粘接”在肝脏移植中的应用 (A) 大动物肝脏移植模型 (B) 磁辅助-水凝胶粘接血管吻合手术过程 (C) 术后血管吻合口超声检查 (D) 术后一周大动物肝脏功能恢复情况 (E) (F) (G)对大动物进行尸体解剖，血管吻合口标本展示 (H) 吻合口标本电镜检查及HE染色结果。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.11.003

*本篇文章引用于公众号“高分子科技”，作者“老酒高分子”，内容有删改。

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