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伤口消毒愈合

UV应用

伤口消毒愈合

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  伤口的处理一直是医学上的一个重要话题。在医学技术不发达的古代,人们甚至会采用烧红的烙铁等令人发指的方法来处理伤口以避免感染。在医学技术相当发达的今天,外科手术后伤口通常需要采用缝合或者吻合的方式来进行处理,以便伤口可以愈合。对于人体内部器官的手术由于体液等的存在,伤口的处理会变得更加复杂。另外,无论是缝合还是吻合的方式,对于伤口周边的组织其实也造成了二次伤害,这并不利于伤口的有效愈合。

  由美国东北大学、哈佛医学院、麻省理工学院和澳大利亚悉尼大学等多家机构共同研究开发的一种可光固化的水凝胶,可以在60秒之内通过和伤口的紧密接触来对伤口进行封闭,并且不会影响器官的收缩和松弛,同时还可以自然降解,而且这个降解时间可以根据伤口的类型来进行调节。降解后不会在身体内有任何的残留。让我们先来看一段悉尼大学Anthony S. Weiss教授对这一新研究成果的介绍视频吧。

  这种新型的可光固化的水凝胶是一种甲基丙烯酸酯化的弹性蛋白原(Methacrylated Tropoelastin),简称为MeTro。和已有的商业化医用密封剂相比,MeTro具有极好的粘附力和机械性能,而且它一旦和组织表面接触之后就会凝固成凝胶状而不会流失,然后再通过紫外线照射进行进一步的稳定化。这一特点使得MeTro可以被精确地放置在需要的位置,并和组织表面的结构紧密连接并相互锁定。

伤口消毒愈合;伤口消毒

  Anthony S. Weiss教授介绍,“这一产品的潜在应用非常强大——包括比如车祸以及战区所造成的严重内伤的处理,以及改进医院外科手术的效果。”“这一技术的下一个阶段将是进行临床试验。MeTro在一系列不同的设定条件下都有效,而且可以解决其他商业医用密封剂无法解决的问题。我们现在已经准备好将我们的研究转移到在人体上面进行测试。我希望MeTro可以很快被用于临床应用,从而拯救更多的生命。”Elastagen公司正在对这一技术进行商业化。

  下面我们从一个化学人的角度来了解一下这个神奇的医用UV胶MeTro。

  对于弹性组织工程材料的金科玉律是,材料必须是可以成模、极富弹性、生物相容的基于人体蛋白质的聚合物,可被多种细胞包埋并可在材料表面增殖。可用的弹性材料有很多种,比如聚硅氧烷、聚氨酯、聚羟基烷酸酯、聚柠檬酸二醇酯、聚癸二酸甘油酯和杂化藻朊酸盐/聚丙烯酰胺等。但是大多数人工合成的化学弹性材料都具有这样或那样的局限。比如,在合成过程中可能需要高温和具有生物毒性的试剂,使得他们对于可能的细胞包覆不相容。而MeTro所采用的则是一种仿生的方式,使用了取自广泛存在于人体弹性组织中弹性蛋白的新型工程弹性材料。比如,人体的血管、皮肤、心脏、膀胱和弹性软骨中都包含弹性蛋白。而弹性蛋白原是弹性蛋白的天然单体前驱体,因此基于重组的弹性蛋白原如能在一分钟之内通过光交联形成蛋白质组织,那将会带来等效的弹性组织。

  人体中大多数的弹性蛋白都是在子宫中通过赖氨酰氧化酶对赖氨酸的特定氧化来使得弹性蛋白原进行缓慢交联而得到的。多种交联方法被用来从重组人弹性蛋白原、α-弹性蛋白和类似弹性蛋白的多肽来生产三维的基于弹性蛋白的水凝胶。这些水凝胶总体来说具有很好的生物相容性,以及在生物体外和体内支持细胞生长的能力。但是,低机械性能和对这些水凝胶三维结构不均一的细胞渗透却是问题。另外,在制造这些水凝胶过程中所采用的化学交联剂、有机溶剂、延长的紫外线照射和高压力等一些具有生物毒性的条件,使得水凝胶在形成过程中无法进行切实可行的细胞包埋。 而这里所使用的合成路径则是采用对甲基丙烯酸酯化弹性蛋白原的短时间光引发交联,从而产生了

  具有高度弹性的三维可负载细胞的基于弹性蛋白原的水凝胶。所使用的弹性蛋白原在每个分子上含有35个赖氨酸残基。这种方法可以通过改变甲基丙烯酸酯化程度和聚合物浓度来控制所得到弹性水凝胶的物理性能,包括孔特性、溶胀性能和机械性能。

  甲基丙烯酸酯化的弹性蛋白原(MeTro)的合成

  弹性蛋白原溶于PBS中(10% w/v),加入甲基丙烯酸酐(MA)在4°C下反应12小时进行酯化。然后将该溶液在4°C用蒸馏水透析48小时,冻干后得到甲基丙烯酸酯化的弹性蛋白原(MeTro)。使用不同浓度(如8,15,20%)的甲基丙烯酸酐可以得到不同酯化程度的产物。

  用于性能测试的水凝胶的制备

  具有不同甲基丙烯酸酯化度的MeTro大分子单体被用来制造光交联的MeTro水凝胶。不同浓度的MeTro的PBS溶液(如5,10,15% w/v)在4°C条件下加入0.5%的光引发剂Irgacure 2959 (化学名:1-[4-(2-羟乙氧基)-苯基]-2-羟基-2甲基丙酮)。采用10微升移液器将该溶液放置到采用150微米隔片隔离开的两个玻片之间,然后采用6.9mW/cm²的UV光(波长360–480 纳米)照射35秒,从而得到光交联的MeTro凝胶。

  所合成的MeTro水凝胶具有可控的物理性能,可以被用于细胞包埋的三维弹性环境以及细胞附着和生长的二维薄膜。这些水凝胶可以被制作成各种形状和尺寸,并表现出和其他由弹性蛋白原得到的水凝胶及合成弹性体不同的下列几大优点:

  1. MeTro凝胶在35秒时间内即可快速成型,这比化学交联型的弹性蛋白基水凝胶通常所需要的时间(约24小时)要大大缩短;

  2. 在水性溶液中对MeTro凝胶进行光交联可以消除其他水凝胶做合成过程中对毒性交联剂和有机溶剂的使用;

  3. 通过MeTro可以直接对细胞进行快速包覆的潜在可能性,使得细胞可以显著地分散到基质中,克服由于如孔隙率低、空隙连通性差和小孔径等一些常见问题而导致的细胞对三维基质渗透极小的问题;

  4. 和聚氨酯等其他的合成弹性体不同,这种可生物降解的MeTro水凝胶的使用不会导致在活体内降解所导致的生物毒性,因为这种凝胶是从人体蛋白质中所获取的;

  5. 基于弹性蛋白原的材料相对于如PGS等一些其他的可生物降解弹性体来说,性能更加稳定,这提供了在新的组织形成之前的机械支撑;

  6. 全分泌弹性蛋白氨基酸序列,包括具有细胞交互能力的C-末端的存在为MeTro凝胶提供了内源性整合素αVβ3细胞结合位点,使之具有了细胞交互功能。

  不同甲基丙烯酸酯化程度MeTro水凝胶材料的一些机械性能 采用这种方法所合成的基于人体蛋白质可以负载细胞的水凝胶MeTro材料,具有极其卓越的性能,包括高可延展性、受力和去除后的可恢复性,以及快速聚合能力、合成方法容易,可适用于三维细胞包埋和二维细胞种植等。这些特点使得MeTro所构建的是一种独特的用于对弹性有要求而同时又允许细胞包埋和表面生长的多功能组织工程材料。相信这一光固化产品一旦在得到商品化之后,将会对创伤修复以及临床外科手术带来一次巨大的革命。

  参考资料 https://sydney.edu.au/news-opinion/news/2017/10/05/_squirtable_-elastic-surgical-glue-seals-wounds-in-60-seconds.html

  N.Annabi, S. M. Mithieux, P. Zorlutuna, G. Camci-Unal, A. S. Weiss, A.Khademhosseini, Engineered cell-laden human protein-based elastomer.Biomaterials 34, 5496–5505 (2013).

  NasimAnnabi, Yi-Nan Zhang, Alexander Assmann, Ehsan Shirzaei Sani, George Cheng,Antonio D. Lassaletta, Andrea Vegh, Bijan Dehghani, Guillermo U. Ruiz-Esparza,Xichi Wang, Sidhu Gangadharan, Anthony S. Weiss, Ali Khademhosseini, Engineeringa highly elastic human protein–based sealant for surgical applications, ScienceTranslational Medicine 9, 7466-7479 (2017)