近期，華東理工大學劉昌勝院士/屈雪教授于 Bioactive Materials 上聯合發表研究性論文：利用中藥調節生物活性組織粘合劑的凝膠動力學，用于快速止血或微創體內組織封閉。研究通過向聚乙二醇-溶菌酶（PEG-LZM）酰胺化水凝膠中引入硼砂調控-NH2的去質子化，實現了凝膠速率從幾秒到幾分鐘的可控調節，并成功證實該體系可有效應用于緊急傷口閉合或微創組織密封。本研究為pH敏感型水凝膠的成膠動力學調控提供了一種簡便策略。
研究內容簡介
雙組分原位交聯的可注射水凝膠具有遞送方便、形狀適應性強等特點。其中，酰胺化反應觸發的水凝膠對生物組織界面的強共價結合能力，使其作為組織粘合劑被廣泛研究。不同類型傷口對凝膠速率的精準調控提出了較高要求。然而，調整凝膠前驅液濃度或交聯劑含量的常規調控方式將不可避免地改變水凝膠的機械強度、內部結構、降解速度等性質。因此，亟需制定一種可精準調控凝膠速率，而不影響水凝膠其他性能的有效策略。
該研究開發了一種基于末端修飾活性酯的四臂聚乙二醇(4-arm-PEG-NHS)和溶菌酶（LZM）雙組分的可注射水凝膠粘合劑，其中，4-arm-PEG-NHS上的活性酯可與LZM以及組織表面的-NH2發生酰胺化反應，從而實現水凝膠的原位交聯。受啟發于N原子去質子化可加速酰胺化反應的理論，研究人員推測具備pH緩沖能力的化合物可通過調控水凝膠體系酸堿度，增強–NH2親核性，并以劑量依賴的方式調控凝膠速率。中藥硼砂（Na2B4O7·10H2O）是一種典型的強堿弱酸鹽，其B4O72-可被水解成等量的B(OH)3和B(OH)-4，兩者形成的酸堿平衡（pKa≈9.2）可將溶液pH維持在弱堿性。基于此，該研究將硼砂引入PEG-LZM酰胺化水凝膠，成功賦予其凝膠動力學的可調性（圖1）。一方面，硼砂會消耗質子氫，促進–NH2去質子化，加速酰胺化反應；另一方面，硼砂可以延緩酰胺化反應副產物（N-羥基琥珀酰亞胺）造成的pH降低，使水凝膠具備與生物組織類似的酸堿度。此外，硼砂還具有防腐、抗菌、抗病毒等優點，可賦予水凝膠豐富的生物活性。
圖1：硼砂促進-NH2去質子化，調控PEG-LZM水凝膠的凝膠速率。
電解水實驗證明酸性環境不利于成膠反應，而OH-形成的堿性環境有助于快速凝膠化。對比NaOH和硼砂在水凝膠體系(pH=8.9)中的添加效果，NaOH非緩沖體系的成膠時間在300 s以上，而硼砂緩沖體系的成膠時間則縮減至3 s內，這證實了凝膠速率的顯著提高歸因于硼砂強大的pH緩沖能力；采用H2BO3和HCl將水凝膠體系pH降到8.6后，兩組的成膠時間延長至相同水平，這進一步證明硼砂提高凝膠速率歸因于其pH緩沖能力，而非元素組成。通過改變LZM前驅液中硼砂含量，可以實現成膠時間從幾秒到幾分鐘的可控調節，表明硼砂對凝膠速率的調控呈劑量依賴型（圖2）。
圖 2：硼砂調控凝膠速率的機理研究。
體內外微生物實驗證明PEG-LZM/硼砂水凝膠具有顯著抗菌活性，且抗菌能力隨硼砂含量增加而提高。
圖3：PEG-LZM /硼砂水凝膠的抗菌活性。
生物相容性實驗證明最高硼砂含量（10 mg mL-1）的PEG-LZM水凝膠可保持良好的細胞相容性；大鼠背部皮下植入實驗進一步證明材料植入一周后僅水凝膠-組織界面出現少量炎癥細胞（綠色箭頭），即正常短期異物反應；溶血實驗證明水凝膠具有優異的血液相容性。
圖4：PEG-LZM /硼砂水凝膠的生物相容性。
在兔左心室（LV）壁穿透性缺陷模型（d：1.2 mm）中，4-arm-PEG-NHS、LZM和硼砂的前驅液被注射到傷口后，在血液存在時迅速成膠，幾秒內成功閉合缺損。超聲心動圖（ECHO）顯示手術3周后，左心室射血分數（EF%）和縮短分數（FS%）恢復至正常水平。以上結果證明，硼砂調節的高凝膠速率PEG-LZM水凝膠可應用于緊急傷口密封。
圖5：兔左心室壁穿透性缺陷模型的緊急傷口密封。
大鼠胃穿孔模型（d：2mm）微創手術證明凝膠速率可調為水凝膠的微創輸送提供了便利，通過導管注射PEG-LZM/硼砂水凝膠前驅液使其原位成膠，可成功密封微創缺陷，且手術2周后仍保持密封完整。H&E染色結果顯示PEG-LZM/硼砂水凝膠治療組的胃黏膜和肌肉層已完全修復，治療效果顯著優于其它組別，這可歸因于硼砂豐富的藥理活性和溶菌酶的高細胞親和力。以上結果證明，PEG-LZM/硼砂水凝膠可作為微創組織密封的高性能密封劑。
圖6：大鼠胃穿孔模型的微創組織密封。
綜上所述，該工作基于末端修飾活性酯的四臂聚乙二醇(4-arm-PEG-NHS) 與LZM以及組織表面-NH2的酰胺化反應，引入硼砂加速-NH2的去質子化，實現了體系凝膠速率從幾秒到幾分鐘的可控調節，開發了一種凝膠動力學可控且具有多功能生物活性的PEG-LZM/硼砂水凝膠粘合劑，并成功證實該體系可有效應用于緊急傷口閉合和微創組織密封。更重要的是，該工作為其他pH敏感型水凝膠的凝膠動力學精準調控提供了一種簡便、高效的策略。
