​南科大吴德成、张冲/南医大洪咏龙《AM》：可注射水凝胶，可用于紧急止血和伤口修复！

严重的外伤后出现的不受控制的出血和伤口感染对现有的组织粘合剂提出了重大挑战，这主要是因为它们在潮湿条件下的粘附力弱、粘合形成速度慢、存在细胞毒性问题以及缺乏抗菌性。在此，南方科技大学吴德成/张冲&南方医科大学洪咏龙开发了一种基于ε-多聚赖氨酸和聚（乙二醇）衍生物的可注射水凝胶（简称ES凝胶），该凝胶具有快速、坚固的粘合密封和固有的抗菌活性。工程化的水凝胶展现出快速的凝胶化行为、高机械强度、对各种组织的强粘附力，并能承受高达450 mmHg的超高爆发压力。它还表现出卓越的生物相容性、生物可降解性、抗菌性和按需可移除性。与纤维蛋白胶相比，ES凝胶在大鼠和兔子的各种损伤模型中显著提高了止血效果。值得注意的是，这种粘合水凝胶能有效阻止内脏器官（肝脏、脾脏和心脏）和完全抗凝猪的股动脉损伤模型中的致命非压迫性出血。此外，水凝胶在无缝合伤口闭合和修复方面的表现优于商业产品，在大鼠肝脏缺损、皮肤切口和感染性全层皮肤损伤模型中表现更佳。总体而言，本研究突出了ES凝胶在管理不受控制的出血、无缝合伤口闭合和感染伤口修复方面的有希望的临床应用前景。该研究以题为“An Injectable Hydrogel with Ultrahigh Burst Pressure and Innate Antibacterial Activity for Emergency Hemostasis and Wound Repair”的论文发表在《Advanced Materials》上。

方案1展示了ES凝胶的设计和应用，它由ε-聚赖氨酸(EPL)和四臂聚(乙二醇)琥珀酰亚胺琥珀酸酯(Tetra-PEG-SS)组成，通过NHS酯与EPL中的胺基自发形成共价键交联，迅速自凝胶化，实现对湿润组织的强粘附。ES凝胶在生理条件下形成，具有快速凝胶化、高机械强度、强组织粘附力，并能承受450 mmHg的超高爆发压力。它还展示了出色的生物相容性、生物可降解性、抗菌性和按需可移除性。ES凝胶在大鼠、家兔和猪的各种出血模型中，相比纤维蛋白胶，显著提高了止血效果，能有效阻止内脏器官（肝脏、脾脏和心脏）和完全抗凝猪的股动脉损伤中的致命非压缩性出血。此外，ES凝胶在无需缝合的伤口闭合和修复方面，优于市售产品，在大鼠肝脏缺损、皮肤切口和感染性全层皮肤损伤模型中表现更佳。

方案1. ES凝胶用于止血和伤口愈合的设计和应用

【ES凝胶的凝胶化行为、机械和组织粘附性质的体外评估】

图1通过改变EPL和Tetra-PEG-SS的浓度，观察了凝胶化时间的变化，并通过流变学测试评估了凝胶的储存模量(G')和损耗模量(G")，以了解凝胶化过程中的物理变化。通过压缩测试、剪切测试和180°剥离测试，研究者评估了ES凝胶在猪皮肤组织上的粘附强度，并与市售纤维蛋白胶进行了比较。结果表明，ES凝胶在5% (w/v) EPL浓度时展现出最短的凝胶化时间5.0秒，以及最高的压缩强度、剪切强度和爆裂压力，远超纤维蛋白胶的性能。此外，ES凝胶在各种湿组织上均显示出强大的粘附力，能够承受模拟的胃液和血液流动条件下的变形而不脱落。

图1. ES凝胶的凝胶化行为、机械和组织粘附性质的体外评估

【ES凝胶的生物相容性和抗菌效果】

图2通过体外细胞活性测试和溶血活性测试，证实了ES凝胶对NIH/3T3小鼠成纤维细胞具有良好的细胞相容性和血液相容性。体外降解实验表明，ES凝胶在PBS缓冲液中可以在48小时内完全降解，体内降解和生物分布通过Cy5.5标记的水凝胶在小鼠模型中的荧光成像得到证实，表明其降解产物主要通过肝脏和肾脏清除。此外，通过皮下植入大鼠模型的组织学评估，观察到植入部位的炎症细胞浸润在植入后第三天最小，并在第十四天完全消失，没有系统性毒性的迹象。抗菌性能测试显示，ES凝胶对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌具有超过99.6%的抗菌比率，并通过扫描电镜和透射电镜图像观察到细菌膜的破坏，证实了其抗菌机制主要是通过EPL的质子化胺基通过静电相互作用破坏细菌膜。这些结果表明，ES凝胶不仅具有良好的生物相容性和可降解性，还具有优异的抗菌能力，能够有效防止细菌感染。

图2. ES凝胶的生物相容性和抗菌效果

【ES凝胶在大鼠肝缺陷模型中的体内止血和伤口愈合过程】

图3通过比较医疗纱布、市售纤维蛋白胶和ES凝胶对大鼠肝脏标准损伤的止血能力，发现ES凝胶能显著减少出血量并在更短的时间内实现止血。此外，通过组织学评估和转录组分析，研究了ES凝胶对肝脏修复的影响，结果显示与纱布和纤维蛋白胶相比，ES凝胶处理的肝脏损伤区域愈合更为完整，炎症反应更小，并且通过激活与细胞增殖、存活、生长和血管生成相关的信号通路，促进了肝细胞的增殖和分化。这些结果表明，ES凝胶不仅在止血方面表现出色，还可能通过调节细胞信号通路促进组织再生，从而加速伤口愈合过程。

图3. ES凝胶在大鼠肝缺陷模型中的体内止血和伤口愈合过程

【ES凝胶在完全抗凝猪中的体内止血效果】

图4在猪的肝脏、脾脏和心脏创造了标准体积缺陷，并在股动脉上制造了穿刺损伤，然后应用ES凝胶进行止血处理。实验结果显示，ES凝胶在应用后迅速形成了坚固且稳定的密封，有效阻止了大量活跃出血，并且在观察期间即使在手动摇晃后也没有发生再出血。此外，通过超声成像在术后28天观察到水凝胶几乎完全降解和吸收，器官的血流分布保持正常。这些结果证实了ES凝胶作为一种快速、强大且不依赖于凝血过程的止血密封剂，对于处理快速、有压力和大量出血具有潜力。

图4. ES凝胶在完全抗凝猪中的体内止血效果

【ES凝胶在大鼠全层皮肤切口模型中的体内伤口闭合和修复评估】

图5展示了ES凝胶在大鼠全层皮肤切口模型中进行无缝合伤口闭合和修复的体内效果评估。研究发现，与传统的缝合和纤维蛋白胶相比，ES凝胶能够实现立即闭合，形成坚固、稳定且完全贴合的密封。在随后的两周跟踪期间，ES凝胶处理的伤口显示出更快的愈合速度，并且在进行拉伸测试时，其愈合皮肤的抗拉强度显著高于缝合和纤维蛋白胶组。组织学评估显示，ES凝胶处理的伤口在第7天时表皮已经完全再生并闭合，而缝合和纤维蛋白胶组则显示出明显的未愈合表皮和切口间隙。到了第14天，ES凝胶处理的伤口组织排列更为整齐，并且有更多毛囊形成。免疫组化染色表明，与缝合和纤维蛋白胶相比，ES凝胶诱导了更低的炎症反应和更高的微血管密度。这些结果表明，ES凝胶通过促进炎症向增殖阶段的过渡、增强胶原沉积和改善血管化，有效地加速了伤口闭合和组织再生，展示了其在无创伤口闭合和组织修复方面的优势。

图5. ES凝胶在大鼠全层皮肤切口模型中的体内伤口闭合和修复评估

【大鼠模型中感染全层皮肤伤口的体内修复】

图6展示了ES凝胶在大鼠模型中对感染性全层皮肤缺损的治疗效果。研究比较了ES凝胶和商业TegadermTM膜在处理感染伤口时的效果，结果显示ES凝胶在所有观察时间点上都显示出更高的伤口闭合率，并且在10天后伤口闭合面积达到了98%，而TegadermTM组只有84%。此外，ES凝胶处理的伤口较干燥，没有明显的脓液分泌，表明其具有防止感染的能力。通过细菌培养进一步证实了ES凝胶的体内抗菌效果，与TegadermTM相比，ES凝胶组的细菌密度显著降低，菌落数量明显减少。组织学评估和免疫荧光染色表明，ES凝胶能够减少炎症反应、促进肉芽组织形成、增加新毛囊数量、提高胶原沉积和纤维结构的有序性，并通过降低TNF-α表达和增加CD31表达来促进新血管形成。此外，对主要器官的组织学检查未发现潜在的器官毒性。这些结果证明了ES凝胶在修复感染性伤口方面的优越效果，主要归功于其固有的抗菌活性、抑制炎症、增强血管生成、增加胶原沉积以及创造湿润的伤口愈合环境的协同效应。

图6. 大鼠模型中感染全层皮肤伤口的体内修复

【小结】

该研究开发了一种基于ε-聚赖氨酸(EPL)和四臂聚(乙二醇)琥珀酰亚胺琥珀酸酯(Tetra-PEG-SS)的可注射抗菌水凝胶(ES凝胶)，该凝胶具有出色的生物相容性、生物可降解性、固有的抗菌活性和按需可移除性。ES凝胶能够快速凝胶化，承受超高的爆发压力，并在抗凝的大型动物中有效停止致命性出血。此外，它还促进了大鼠模型中肝缺陷、皮肤切口和感染性全层皮肤伤口的无缝合修复。这些特性表明ES凝胶在无需缝合的伤口闭合、组织修复以及作为急救止血材料方面具有巨大的商业化潜力和临床应用前景。尽管如此，研究者也指出需要进一步调整ES凝胶的降解特性以适应不同组织的修复时间，并在更具挑战性的出血模型中验证其止血效果和可靠性，同时开展长期研究以评估潜在的慢性炎症或延迟性不良影响，并考虑开发基于ES凝胶的多功能医用敷料以增强其治疗潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202404811