近期，清華大學、鄭州大學聯(lián)合德雷塞爾大學在國際生物制造學領(lǐng)域最具影響力期刊之一的《International Society for Biofabrication (ISBF) 》發(fā)表題為《Coacervation-triggered hierarchically assembled hydrogels with application as surgical sealant》的研究成果。
該研究開發(fā)了一種凝聚作用觸發(fā)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(shù)密封材料的多種優(yōu)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(yī)學應用提供了一種在潮濕和動態(tài)生物環(huán)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(shù)有限公司研發(fā)生產(chǎn)，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(fā)能夠在潮濕、動態(tài)的生物組織上快速可控發(fā)揮粘附作用的水凝膠材料是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此，研發(fā)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(guān)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(jié)構(gòu)，通過引入RHC和TA分子，首次開發(fā)了一種非常有前途的水凝膠基手術(shù)密封膠。通過調(diào)節(jié)二者凝聚過程的參數(shù)，RHC和TA組裝體的構(gòu)象從顆粒狀聚集體演變?yōu)榫W(wǎng)狀聚集體(松散)和網(wǎng)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(jié)構(gòu)水凝膠顯示出了幾個關(guān)鍵特征，滿足潛在的手術(shù)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(tài)的生物環(huán)境中實現(xiàn)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(fā)劑或交聯(lián)劑。
本研究提出了一種很有前景的手術(shù)密封膠，可廣泛應用于手術(shù)體內(nèi)生物組織的粘膠，為水凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了科學和應用依據(jù)，以促進高性能生物材料的先進制造。
實驗路線及結(jié)果
圖1 基于RHC和TA制備快速交聯(lián)、高粘附、超拉伸和止血水凝膠的設(shè)計策略。(a)分子建模中RHC和TA的代表性結(jié)構(gòu)。(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(shù)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(jié)構(gòu)及其相應的表面顯示結(jié)果。(b)RHC與TA相互作用過程中空間構(gòu)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(jié)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(zhì)心距離作為模擬時間的函數(shù)。(f)RHC的均方根偏差(RMSD)作為模擬時間的函數(shù)。
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(qū)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(wǎng)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5 (a)不同成分的RHC-TA水凝膠的振蕩頻率掃描(G\：存儲模量\\損耗模量(b)是RHC-TA水凝膠的可塑性、可塑性和自愈合特性。
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(lián)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)聚過程是由分子間的相互作用驅(qū)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(jié)合親和力。組織表面的酰胺、胺和硫醇)。
圖9 RHC-TA水凝膠在動態(tài)、水下環(huán)境下的粘附性能。(a)RHC-TA水凝膠用于小鼠組織的水下粘附展覽，包括心臟、肝臟、肺、肌肉、骨骼和皮膚。(b)掃描電鏡圖像顯示RHC-TA水凝膠與組織之間的粘附界面。
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(yǎng)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(yǎng)7d的(b) F-actin/DAPI染色圖像。比例尺：300µm。(c)在RHC-TA水凝膠上培養(yǎng)1、3和7d后，定量測定細胞活力。(d)不同天數(shù)細胞增殖比較(**p < 0.01).
圖11。將粘合劑RHC-TA水凝膠作為手術(shù)密封膠在大鼠心臟出血模型中的體內(nèi)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(jīng)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(qū)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(lián)合應用RHC和TA，開發(fā)能夠在潮濕、動態(tài)的生物組織上快速可控發(fā)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。
聚源生物的重組人源化膠原蛋白(RHC)憑借多年精益鉆研重組膠原蛋白的合成生物學應用，有效解決了傳統(tǒng)動物膠原的親水性差、免疫排斥等問題，且產(chǎn)品高活性和高純度等優(yōu)勢，在醫(yī)藥、化妝品、食品等眾多領(lǐng)域均得到很好的的結(jié)合，真正讓重組膠原蛋白從實驗室走向應用，讓科技為人所用。
關(guān)于聚源生物
聚源生物是一家以基因工程和合成生物科技為主導的高新科技企業(yè)，憑借著一流的基因重組、微生物發(fā)酵、蛋白分離純化等生物工程技術(shù)，打通了多個功能性蛋白的規(guī)?；a(chǎn)工藝，率先實現(xiàn)重組膠原蛋白的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，率先在海外獲批INCI名和實現(xiàn)穩(wěn)定銷售，在產(chǎn)業(yè)鏈、供應鏈、價值鏈等均處于優(yōu)勢地位，產(chǎn)品暢銷于歐美、亞洲等眾多國家和地區(qū)。
聚源生物集團旗下長沙聚源醫(yī)療技術(shù)有限公司成立于2021年，廠房面積3000m2，其中十萬級潔凈區(qū)面積800m2，萬級潔凈區(qū)面積200m2，符合《醫(yī)療器械生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》和YY/T 0330-2000 無菌醫(yī)療器具生產(chǎn)管理規(guī)范的要求。聚源生物已形成重組膠原蛋白原料、妝/械代工、品牌三位一體的全場景產(chǎn)業(yè)布局。
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