基于贻贝启迪的仿生组织粘合剂的制备与性能研究

发布时间：2020-08-29 09:23

　　伤口愈合是创伤治疗过程中需面临的一个重要问题。目前,临床上普遍使用如手术缝合线、医用订皮机等机械侵入性技术促进伤口愈合,这些方法存在操作繁琐、高病菌感染率、组织免疫性反应等问题,会导致伤口愈合缓慢。与之相反,组织粘合剂是一种用于伤口止血、愈合、防止流体渗漏的医用材料,其组成和功能具有灵活的可设计性,并且操作简单,有助于缩短手术时间,快速恢复组织的完整性和功能性,成本效益高,展现出广阔的应用前景。但目前经FDA批准可用于特定手术的商业化传统组织粘合剂,如氰基丙烯酸酯胶、纤维蛋白胶、聚乙二醇基粘合剂等,仍存在各种各样的缺陷,尚不具备完全替代机械侵入性技术的条件。因此,研制出性能更优异的新型组织粘合剂,以满足临床医学的严格要求仍然是一个非常重要的、具有实际应用前景的研究领域。在自然界中,海洋生物贻贝通过体内分泌的足丝,使其能在湍流和盐碱环境中依旧强烈地附着在异物表面。研究表明,贻贝优异的粘附能力归因于足丝中的贻贝足蛋白(Mfps),而贻贝粘附蛋白分子结构中对粘附起到关键作用的是含邻苯二酚的多巴。基于上述分析和认识,我们通过适宜的分子设计与合成技术,向特定的单体、预聚体或反应性聚合物引入邻苯二酚或邻苯三酚官能团以及可生成交联键的反应性官能团,制备出粘合强度高、使用安全、便利的组织粘合剂。通过现代测试技术表征所制备预聚体产物的化学结构,以及其通过交联所得的组织粘合剂的溶胀性、表面形貌、组织粘附性和生物相容性等性能,为构建新型、性能优异的仿生组织粘合剂奠定理论和实验基础。研究的主要内容和结果如下所述:(1)使用半胱氨酸(Cys)模拟贻贝Mfp-6对邻苯二酚基团的抗氧化保护机制,在Cys存在下制备聚多巴胺(PDA)溶液,并以丙烯酰胺(AM)为单体,以聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)为交联剂,通过自由基聚合反应合成PDA_xCys_y PEG_zPAM-t水凝胶组织粘合剂,作为伤口敷料覆盖于外科组织伤口处,促进伤口愈合。研究结果表明,Cys能在不影响生物相容性的前提下通过模拟贻贝Mfp-6对邻苯二酚基团的抗氧化保护机制,有效提高粘合剂粘附性能,当Cys/DA(mol/mol)=1/12时可到达到邻苯二酚的最佳氧化还原平衡点,其粘合强度到达最大值9.5 kPa。该粘合剂能高效地通过基体形变将外力撕扯粘合剂剥离组织的能量耗散,防止在粘附区域出现应力集中而导致剥离,同时具有可重复使用性;粘合剂的溶胀率(2000~6000%)、断裂拉伸强度(6.4~15.0 kPa)和断裂伸长率(114~1170%)可通过PDA、Cys和PEGDA三者之间的组分配比进行调节;该粘合剂具有自修复性,其断裂拉伸强度和断裂伸长率的恢复率达60%。(2)通过聚琥珀酰亚胺(PSI)与特定伯胺衍生物的氨解反应,分别制得带有乙烯基、邻苯二酚和羟基官能团的反应性聚天冬酰胺PASAM(C=C/Dopa/OH)即组分一,以及带有巯基、邻苯二酚和羟基官能团的反应性聚天冬酰胺PASAM(SH/Dopa/OH)即组分二。将组分一和组分二分别溶于一定浓度的过氧化氢(H_2O_2)溶液和辣根过氧化物酶(HRP)溶液,制得两种预聚液,再分别装入双针筒注射器,在手术切割后的组织切口边缘处或受伤组织的边缘处进行原位注射,并使之接触、靠紧。在HRP和H_2O_2共同作用下,组分一和组分二的邻苯二酚官能团之间、乙烯基与巯基之间可形成两类化学交联点,最终使粘合剂凝胶化,从而构建了双组分原位注射型聚天冬酰胺仿生组织粘合剂PASAM(C=C/Dopa/OH)-PASAM(SH/Dopa/OH),实现组织修复。研究结果表明,双组分组织粘合剂预聚液可在10秒内实现快速凝胶化,并且与单组分粘合剂相比,具有更高的交联密度和粘合强度,而在HRP溶液浓度为2 mg/mL,H_2O_2溶液浓度为15 wt%时,粘合剂的交联点密度最高,粘合强度达到最大值24.5 kPa,高于已商业化的纤维蛋白胶的粘合强度;该粘合剂在PBS缓冲液浸泡下其溶胀率不超过200%;NIH-3T3细胞在含有该粘合剂的培养基中具备一定的增殖能力。(3)以明胶(GT)作为组织粘合剂大分子主链,经含有邻苯三酚官能团的没食子酸(GA)修饰,制得凝胶前体GT-GA,并分别以戊二醛(GTA)和HRP/H_2O_2作为交联剂组分,经双针筒注射器进行原位伤口注射,凝胶化后分别形成粘合剂GT-GA-GTA和GT-GA-HRP/H_2O_2,实现组织修复。研究结果表明,GT-GA-GTA和GT-GA-HRP/H_2O_2都能在10秒内实现凝胶化,其中GT-GA-GTA在GTA质量与GT-GA相同时粘合强度达10.9 kPa,GT-GA-HRP/H_2O_2在HRP溶液浓度为1.0 mg/mL,H_2O_2溶液浓度为15.00 wt%时,粘合强度达最大值7.8 kPa;GT-GA-GTA的SR最高达850%,而GT-GA-HRP/H_2O_2最高达435%;HRP/H_2O_2的存在对细胞存活率影响较小,而GTA的存在则明显的降低了细胞存活率。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ430.1
【部分图文】：

示意图,示意图,粘合剂,静电粘附

华南理工大学硕士学位论文生相互锁定；分子间相互作用。分子间的相互作用是粘附力的主要贡献者，包括离子络合作用、氢键、偶极-偶极相互作用、范德华力等物理相互作定官能团修饰到组织粘合剂的化学结构中，使粘合剂和组织之间通过合，例如通过在粘合剂上的醛基和组织上的氨基反应形成化学键；链纠缠。粘合剂中的聚合物分子链必须具有足够的流动性，使其能够分子链进行相互渗透和缠结；静电粘附。当具有不同电子能带结构的两种材料表面紧密接触时，会电粘附在非金属系统的粘附中的作用甚微[1, 3]（图 1-1）。

纤维蛋白胶,凝血,凝块,生理

图 1-2 类似于生理凝血的纤维蛋白胶凝块机制[72 Fibrin gel mechanism similar to physiological coa在临床手术中被广泛应用。早在 1998 年，其商使用。纤维蛋白胶主要用于手术过后的出血控制相容性好，生物降解性好等诸多优点，但使用

示意图,贻贝,足丝,粘附

华南理工大学硕士学位论文沙堡蠕虫[38,39]、青蛙[40]等，尝试研发各类仿生组织粘合剂。而研贻贝启迪的组织粘合剂。物贻贝通过体内分泌的足丝（byssus），使其能在湍流和盐碱环境物表面。足丝由从贝壳间分泌的众多足丝线（thread）构成的，它另一端则通过具有高界面结合强度、耐久性和韧性的斑块（plaq]。足丝中存在着多种具有不同功能的粘附蛋白，分布在足丝线的足蛋白（Mussel footprotein, Mfps）。贻贝足蛋白以液体形式分泌注射成形的方式，固化形成足丝线和斑块，并在多个方向上发散加州贻贝（Mytiluscalifornianus）为例，剥离单个贻贝所需的平均平均每个足丝为 5 ~ 6 N 的分离力[42, 43]（图 1-3）。

【相似文献】