研究简介:可注射的组织粘合剂因其便捷的输送方式和高形状适应性而在临床上被广泛应用，尤其是在止血和组织修复方面。然而目前的组织粘合剂在凝胶化速率上存在局限性，无法根据不同的临床需求进行精细调节。此外，快速凝胶化对于止血至关重要，而缓慢且可控的凝胶化则有利于填充不规则形状的伤口。因此，开发一种能够精确调节凝胶化时间的组织粘合剂具有重要的临床意义。研究人员提出了一种利用硼砂调节酰胺化反应速率的策略。硼砂作为一种传统的中药，具有抗菌、抗病毒等多种生物活性。在化学上，硼砂是一种强碱弱酸盐，能够在水中水解并建立弱碱性缓冲环境，从而促进氨基的去质子化过程，加速酰胺化反应。

实验中，研究团队使用了聚乙二醇-溶菌酶（PEG-LZM）作为模型粘合剂，通过改变硼砂的浓度来调节凝胶化时间，并通过一系列实验验证了硼砂对凝胶化时间的调节效果、物理性质的影响、抗菌能力的增强以及在体外和体内的生物相容性。研究表明硼砂不仅能够通过其pH缓冲能力调节凝胶化时间，还能增强水凝胶的抗菌性能，同时保持其物理性质不变。这种通过硼砂调节的PEG-LZM水凝胶在快速止血和微创治疗方面具有显著优势。尽管硼砂具有抗菌性能，但PEG-LZM/硼砂水凝胶仍保持了良好的细胞亲和性和组织/血液相容性，这表明该材料在临床应用中具有较高的安全性。这项研究不仅为调节水凝胶的凝胶化动力学提供了一种简单而有效的方法，还为开发具有多种生物活性的新型组织粘合剂开辟了新的途径。通过精确控制凝胶化时间，这种水凝胶可以满足不同的临床需求，如紧急止血和微创治疗，具有广阔的应用前景。

Unisense微电极研究系统的应用

Unisense微电极系统被用于测量溶液或水凝胶的pH值。使用了Unisense微电极研究系统，该系统包含pH微电极（尖端直径为100μm）。在每次测量之前，都会进行校准，以确定电位与pH值之间的对应关系，并生成标准曲线。将清洁的pH工作电极和参比电极同时插入到溶液或凝胶（凝胶化后12小时）中，根据标准曲线获得不同样品的pH值。通过精确测量pH值，Unisense微电极系统帮助研究人员了解硼砂对溶液pH的调节作用，以及这种调节如何影响PEG-LZM水凝胶的凝胶化动力学。

实验结论

实验结果表明，通过改变硼砂的浓度，PEG-LZM水凝胶的凝胶化时间可以从几秒到几分钟不等，而其物理性质保持不变。具体来说，当硼砂浓度为20 mg/mL时，凝胶化时间可以缩短至3秒。此外，加入硼砂后，水凝胶的抗菌能力得到显著提高，对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的抑制效果更强。在体内实验中，用PEG-LZM/硼砂水凝胶处理的伤口显示出较少的炎症反应和细菌数量。尽管凝胶化时间发生了变化，但水凝胶的物理性质（如粘弹性、机械强度和组织粘附能力）保持不变。这表明硼砂的加入并未对水凝胶的基本性能产生负面影响。实验还评估了PEG-LZM/硼砂水凝胶的细胞亲和性和组织/血液相容性。结果表明，即使在高浓度硼砂（10 mg/mL）的情况下，水凝胶仍能支持细胞生长，并且在体内实验中显示出良好的组织相容性和血液相容性。

图1、（a）PEG-LZM水凝胶的凝胶化时间可以通过中药（硼砂）输入策略进行调节，该策略提供初始碱性缓冲以促进氨基的去质子化过程并加速酰胺化反应。（b）对于应用，模型1代表了一个紧急治疗案例。凝胶化时间最快（≤3 s）的PEG-LZM可以立即闭合兔左心室壁缺损并止血。模型2代表微创治疗案例。可以调节凝胶时间以匹配水凝胶前体在导管中的流动时间，这为深层组织伤口的微创闭合铺平了道路。同时硼砂掺入可以提高水凝胶的抗菌能力。

图2、（a）前驱体A的pH值和（b）PEG-LZM/硼砂水凝胶的凝胶化时间随前驱体A中不同硼砂浓度的变化而变化。插件显示了在1.5–3.5 mg mL的低硼砂下测得的数据。硼砂浓度的凝胶化时间遵循指数方程。

图3、定制凝胶的离体建模（a）将混合胶凝溶液均匀喷洒在（1）猪皮和（2）心肌上，并瞬间凝固以密封模型伤口，即使有喷涌的水也是如此。（b）在体外模拟PEG-LZM/硼砂水凝胶的微创递送，混合胶凝溶液在微创导管中平稳飞行，并在很短的时间内在出口处凝固以密封管顶部。

图4、PEG-LZM/硼砂水凝胶抗菌活性的评价。（a）金黄色葡萄球菌和大肠杆菌分别暴露于PEGLZM或PEG-LZM/硼砂水凝胶后形成的细菌菌落的照片。（b）不同样品的抗菌率。（c）不同样品表面MRSA生物膜的Live/Dead荧光染色和SEM观察照片。（d）体内抗菌研究。使用商用3 M敷料或PEG-LZM/硼砂水凝胶治疗的伤口照片。（e）从伤口区域收集细菌并在琼脂糖凝胶培养基上培养。（f）通过H&E染色对周围伤口进行组织学分析。

图5、PEG-LZM/硼砂水凝胶的细胞亲和力和生物相容性。（a）C2C12细胞和L929细胞在孔板和水凝胶表面的细胞扩散形态（细胞骨架荧光染色）。（b）不同组的平均细胞铺展面积依赖于免疫荧光染色。（c）接种在PEG-LZM/硼砂表面不同时间的细胞的活/死免疫荧光染色。（d）接种在PEG-LZM/硼砂上的细胞增殖与接种在细胞板上接种1天的细胞标准化。（e）PEG-LZM/硼砂水凝胶的体内生物相容性。（植入1周后PEG-LZM/Borax水凝胶的照片，以及周围组织的H&E染色）（f）不同样品的溶血比率。

结论与展望

凝胶动力学对于为不同应用定制化学交联水凝胶基注射粘合剂非常重要。然而凝胶速率的调节通常仅限于改变凝胶前体和/或交联剂浓度，这不能达到精细水平，不可避免地会改变水凝胶的物理性质。酰胺化反应广泛用于合成水凝胶粘合剂。在这项工作中，研究人员提出了一种中医（Borax）输入策略来调节酰胺化反应触发系统的凝胶化速率。硼砂不仅能够通过其pH缓冲能力调节凝胶化时间，还能增强水凝胶的抗菌性能，同时保持其物理性质不变。Unisense微电极系统在本研究中发挥了关键作用，通过其高精度和微米级空间分辨率，能够实时监测和记录溶液或水凝胶的pH变化。这使得研究人员能够准确地评估硼砂对凝胶化过程的影响，为开发具有精确凝胶化时间控制的新型组织粘合剂提供了重要的实验依据。

硼砂提供了一个初始的基本缓冲环境，以促进氨基的去质子化过程并加速该反应。通过使用组织胶粘剂模型PEG-溶菌酶（PEG-LZM），凝胶化时间可以从几秒钟调节到几分钟，硼砂浓度不同，而物理性质保持不变。此外由于硼砂的生物活性，可以提高抗菌能力。可以调节水凝胶前体以立即凝固，以在紧急情况下闭合出血伤口。同时它们还可以定制以匹配导管中的流动时间，从而促进微创组织密封。这种通过硼砂调节的PEG-LZM水凝胶在快速止血和微创治疗方面具有显著优势。例如在兔子左心室壁缺损模型中，该水凝胶能够在几秒钟内迅速封闭伤口并止血。此外，它还可以通过微创方式输送至深部伤口，如胃穿孔，实现组织密封。研究不仅为调节水凝胶的凝胶化动力学提供了一种简单而有效的方法，还为开发具有多种生物活性的新型组织粘合剂开辟了新的途径。通过精确控制凝胶化时间，这种水凝胶可以满足不同的临床需求，如紧急止血和微创治疗，具有广阔的应用前景。