學術高光 | 聚源生物RHC聯合TA作為水凝膠用于外科密封劑的應用，獲國際期刊發表

該研究開發了一種凝聚作用觸發的成型方法，使重組人膠原蛋白（RHC）和單寧酸（TA）能夠進行分層組裝，該方法制備的水凝膠具有作為手術密封材料的多種優良性能，包括快速凝膠時間(<10s)、凝血時間(<60s)、超拉伸性(應變>10000%)、強粘附力(粘附強度>250 kPa)。最后成功應用于心臟和肝臟組織的牢固粘附和密封之用。這項工作為生物醫學應用提供了一種在潮濕和動態生物環境中極具前景的水凝膠基外科密封劑。

該實驗研究中采用的重組膠原蛋白（以下簡稱RHC）由江蘇江山聚源生物技術有限公司研發生產，由楊洋博士提供給本研究項目組。

研究背景

粘附性水凝膠作為組織粘合劑、外科密封劑和止血材料具有巨大的應用潛力。然而，開發能夠在潮濕、動態的生物組織上快速可控發揮粘附作用的水凝膠材料是一個巨大的挑戰。因此，研發一種能改善水凝膠的濕粘附和即時止血性能，以及可塑、可成形和自愈合能力的水凝膠至關重要。

研究成果

在這項研究中，模擬了天然材料的凝聚過程和分層組裝結構，通過引入RHC和TA分子，首次開發了一種非常有前途的水凝膠基手術密封膠。通過調節二者凝聚過程的參數，RHC和TA組裝體的構象從顆粒狀聚集體演變為網狀聚集體（松散）和網狀聚集體（致密），伴隨著機械和粘附性能的顯著增強。由此得到的分層結構水凝膠顯示出了幾個關鍵特征，滿足潛在的手術密封膠的要求：(1)易于加工和操作，(2)快速的凝膠和止血能力，(3)強大的機械和堅韌的粘附性能，(4)超拉伸和自愈合能力，(5)良好的生物相容性。由于上述特性，水凝膠成功地應用于原位切口部位，并迅速凝聚，以在潮濕和動態的生物環境中實現強大的粘附。此外，RHC和TA本身都具有良好的生物相容性，且不需要額外的引發劑或交聯劑。

本研究提出了一種很有前景的手術密封膠，可廣泛應用于手術體內生物組織的粘膠，為水凝膠結構設計提供了科學和應用依據，以促進高性能生物材料的先進制造。

圖1 基于RHC和TA制備快速交聯、高粘附、超拉伸和止血水凝膠的設計策略。(a)分子建模中RHC和TA的代表性結構。(b)基于RHC和TA之間物理相互作用的大分子組裝到層次塑造的示意圖。(c)水凝膠作為手術密封膠的不同特征。

圖2 基于分子動力學模擬的RHC與TA之間的潛在相互作用。(a)從分子建模中獲得的RHC和TA的代表性結構及其相應的表面顯示結果。(b)RHC與TA相互作用過程中空間構象變化的分子動力學模擬。(c)TA分子與RHC蛋白氨基酸之間氫鍵相互作用的模擬模型。黃色的虛線：氫鍵。(d)RHC和TA的結合能隨模擬時間的變化。透瓊斯勢(LJ勢）、靜電勢能（庫侖勢）。(e)RHC和TA之間的質心距離作為模擬時間的函數。(f)RHC的均方根偏差（RMSD）作為模擬時間的函數。

圖3 不同成分的RHC與TA之間的凝聚相互作用。(a)不同組成的水凝膠前驅體的光學圖像、(b) SEM圖像、(c)紫外-可見光譜、(d) FTIR光譜。

圖4 RHC-TA水凝膠的合成與表征。(a)RHC溶液（20% w/v）、TA溶液（40% w/v）及其混合物的光學圖像變成了略黃色的水凝膠。(b)在RHC和TA之間不同濃度下的水凝膠形成示意圖。(c)不同的水凝膠形成階段，從液體、顆粒狀聚集物到網狀聚集物。(d)不同水凝膠形成階段的光學和熒光圖像。比例尺：400μm。

圖6 RHC-TA水凝膠的力學表征。(a)照片顯示了RHC-TA水凝膠的超拉伸性。直徑分別為500、300和150μm的直絲的(b)掃描電鏡圖像。用RHC-TA水凝膠制作的不同螺旋形細絲的掃描電鏡圖像。比例尺：400μm。(c)描述RHC-TA水凝膠的交聯和超拉伸機理的示意圖。(d)拉伸應力-應變曲線和(e)不同RHC濃度從5%、10%、15%到20%（w/v）的水凝膠的壓縮應力-應變曲線）（TA濃度：40% w/v)的曲線。

圖7 RHC-TA水凝膠的粘附性和凝血性能。(a)貽貝產生由大量可伸縮的囊線組成的粘附囊。囊狀線的光學和熒光圖像。(b)圖像顯示了RHC-TA水凝膠的原位合成過程和表征。(c)圖像顯示了RHC-TA水凝膠對自然組織的粘附行為。(d)使用豬皮膚組織表面進行的搭接剪切試驗示意圖。(e)不同RHC濃度為5%、10%、15%到20%（w/v）的RHC-TA水凝膠的代表性粘附應力置換曲線（TA濃度：40% w/v）。(f)水凝膠的粘合劑強度。(g)用RHC（20% w/v）和不同TA濃度（5%、10%、20%、40% w/v）產生的RHC-TA水凝膠進行凝血形成隨時間的平板測定。(h)用不同TA濃度的RHC（20% w/v）產生的RHC-TA水凝膠的定量凝血時間(**p < 0.01).

圖8 Ta介導的粘聚和粘附相互作用的反應化學示意圖。內聚過程是由分子間的相互作用驅動的，特別是RHC和TA之間的氫鍵。粘附過程得益于TA與親核試劑的強結合親和力。組織表面的酰胺、胺和硫醇)。

圖10。RHC-TA水凝膠的生物相容性。(a)成纖維細胞（MRC-5細胞）在RHC-TA水凝膠上培養1、3和7d后的活/死染色的熒光圖像。比例尺：300μm。在水凝膠上培養7d的(b) F-actin/DAPI染色圖像。比例尺：300μm。(c)在RHC-TA水凝膠上培養1、3和7d后，定量測定細胞活力。(d)不同天數細胞增殖比較(**p < 0.01).

圖11。將粘合劑RHC-TA水凝膠作為手術密封膠在大鼠心臟出血模型中的體內評價。(a)在大鼠心臟出血模型中，RHC-TA水凝膠的止血能力示意圖。(b)立即原位形成RHC-TA水凝膠治療心臟損傷的大體圖。箭頭和圓圈分別表示出血部位和經水凝膠處理的部位。(c)移植后7天，RHC-TA水凝膠附著在心臟組織表面的蘇木精/伊紅染色圖像。比例尺：1200μm。(d)對RHC-TA水凝膠與心臟組織表面之間的粘附區域的放大視圖。比例尺：300μm。(e)RHC-TA水凝膠在大鼠心臟組織表面的粘附強度。(f) RHC-TA水凝膠顯著提高了介入治療后的生存率。(g)移植后7天對RHC-TA水凝膠的免疫染色分析。比例尺：300μm。切片用CD3或CD68抗原染色，用DAPI反染。紅色代表免疫細胞，藍色代表細胞核（DAPI）。

研究意義

本研究通過聯合應用RHC和TA，開發能夠在潮濕、動態的生物組織上快速可控發揮粘附作用的水凝膠材料，顯著提高了機械性能和粘附性能。

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