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《AFM》:用于动态伤口闭合的梯度模量组织粘合剂复合材料

高分子技术 凝胶技术
高分子凝胶与网络    2022-09-07    554



摘要

在流体丰富和动态的环境中伤口闭合具有挑战性。缝合或缝合闭合的伤口容易撕裂,导致液体渗漏和弯曲。尽管最近在用于伤口密封的组织粘合剂方面取得了进展,但现有的组织粘合剂水凝胶过于柔软和可拉伸,无法在动态负载下将伤口边缘保持在一起。
中山大学Zhe Li(通讯作者)团队介绍了一种可生物降解的梯度模量组织粘合剂复合材料 (GmTAC),它由三个功能组件组成,包括组织粘合剂基质、梯度模量微网和注入油的抗粘连表面。100 µm厚的 GmTAC 贴片可快速粘附在湿组织表面以封闭伤口,保护伤口免受动态撕裂,防止与周围组织粘连,并逐渐降解,无需取回贴片。此外,优化设计的 GmTAC 贴片可以使受伤的肠道像完整的对应物一样变形,即使在大张力或膨胀的情况下也不会出现明显的撕裂或应力集中。GmTAC 在动态和流体丰富的环境中用于伤口闭合和预防撕裂的功效在体外和体内通过模拟得到验证。因此,这项工作表明,该策略在处理具有挑战性的伤口方面具有巨大潜力。相关成果以“Gradient Modulus Tissue Adhesive Composite for Dynamic Wound Closure”为题发表在《Advanced Functional Materials》。


图文导读

1. 梯度模量组织粘合剂复合材料 (GmTAC)  a) GmTAC 的设计和应用,用于在动态和流体丰富的环境中进行伤口闭合和预防撕裂。  GmTAC 设计为在其宽度 W 上具有梯度模量 E,其模量高于切口附近的下层组织 Etissue  b) GmTAC 的功能组件,包括生物粘附基质、梯度模量微网和注入油的抗粘附表面。  c) 制造 GmTAC 的程序。  d) 缝合伤口闭合示意图;在张力或膨胀下会发生泄漏。  e) 使用软 TA 水凝胶贴片闭合伤口的图示,该贴片在负载下会发生过度变形并导致伤口撕裂。


2. 梯度模量组织粘合剂复合材料的制备。  a) 角溶液吹纺(A-SBS)法制备具有梯度模量的PCL微网。具有 α 弯曲角的角收集器用于纤维沉积。  b) PCL 微网沉积在 α = 30° 的角度收集器上; SEM 图像中观察到相互连接的微纤维。  c) 模块化微网格在整个宽度上的杨氏模量; 模量从中间向边缘递减(Emax Emin 分别是最大和最小模量)。  d) 收集器角度 α Emax 和模量梯度 (Emax - Emin)/(W/2) 的影响,其中 W 是宽度。 (c, d) 中测试了模块化微网格样品。  e) 典型 GmTAC 贴片的光学图像; 贴片在干燥状态下具有柔韧性,厚度约为 96 µm 在潮湿状态下,它坚韧且可拉伸,厚度约为 200 µm(比例尺:2 mm)。  f) GmTAC 顶部(注油表面)、底部(粘合表面)和横截面的 SEM 图像,表明微网与粘合水凝胶基质很好地结合在一起;比例尺:100 µm


3. GmTAC 用于伤口闭合和预防撕裂。  a)在中线以外的不同位置测量的 GmTAC1 的应力-应变曲线。  b) GmTAC 的杨氏模量与不同层的模块化微网格,显示梯度模量特性和良好的可控性。  c) GmTAC1用于兔胃动态伤口闭合的离体演示。  GmTAC1 有效保护伤口免受高压撕裂; 相反,纯 TA 贴片(对照)在 62 mmHg 的低压下过度变形和破裂。  d) GmTAC 与纯 TA 相比的爆破压力(在猪小肠上进行)。  e) 不同 GmTAC 贴片的杨氏模量与文献报道的不同组织的模量比较;  #表示本研究中使用的兔子小肠或胃。 插图显示了干燥状态下的不同 GmTAC 样品; 黄色虚线代表中线; 由于光散射,GmTAC 贴片呈白色。  f) 体外抗撕裂试验示意图。  g) GmTAC3 和纯 TA 贴片桥接的猪肠组织的应力-应变曲线。  h) 0.15 的应变用不同的粘合剂贴片粘附的伤口间隙。


4. 附着力、安全性和生物降解性。  a) 体外 Janus 粘附试验示意图。 将粘附在组织表面的纯 TA GmTAC1 贴片与另一个组织接触,然后分离以检查 Janus 粘附特征。  b) 对麻醉兔的体内 Janus 粘附试验。 贴有GmTAC1贴片的肠或胃表面与腹壁接触,随后分离,与腹壁无粘连。 即使在短暂接触(5-10 s)后,纯 TA 贴片也能迅速将肠或胃与腹壁粘附。  c) 不同 GmTAC 贴片在猪皮肤上的粘附能。  d) GmTAC1在不同组织表面上的粘附能。  e) GmTAC 在培养 24 小时后小鼠成纤维细胞 (3T3) 的活/死试验中的体外生物相容性。  f) GmTAC Dulbecco 的磷酸盐缓冲盐水 (DPBS) 中的体外生物降解,在 37 °C 下添加和不添加胶原酶。


5. 模拟动态伤口闭合。  a) 兔小肠体内伤口闭合试验及模拟模型;  b,c) 实验和模拟结果显示伤口在 70 mmHg 120% 的纵向拉伸下贴有不同的贴片。  d) 模拟结果显示不同粘合剂贴片下方组织的纵向变形 U1  e) 纵向组织位移; GmTAC3 粘附的伤口组织几乎具有与完整组织相同的变形行为。  f) 使用不同贴片的伤口间隙的实验和模拟结果。  g-i)伤口组织中的归一化应力与相应贴片所承受的应力相比; 相同载荷条件下完整组织的应力用作参考,由(g-i)中的虚线表示; 提供了显示伤口变形和应力分布的模拟结果。 (b-i) 中,纵向拉伸和内部压力分别为 120% 70 mmHg


小结

总之,本文报告了一种梯度模量组织粘合剂复合材料(GmTAC),该复合材料设计合理,具有粘合剂基质、梯度模量微网和注油抗粘连表面三个功能组件。通过系统的体外和体内模拟测试,证明 GmTAC 同时结合了许多治疗功能。首先,它可以牢固地粘附在非平面的湿组织表面上,密封伤口,防止渗漏。其次,这种材料的表面设计为注油,可防止与周围组织发生不必要的粘附。最重要的是,GmTAC 具有最佳梯度模量特性,可以帮助伤口组织在动态和流体丰富的环境中像其完整的对应物一样变形,而不会出现撕裂或应力集中,这很难仅通过缝合或软组织粘合剂水凝胶来实现。此外,GmTAC 采用生物相容性和可生物降解成分设计,可在生理条件下降解,无需重新操作即可去除贴片。本研究提出的梯度模量组织粘合剂复合材料可以有效解决困扰伤口管理的问题,包括流体渗漏、不希望的组织粘连和撕裂,为在富流体和动态环境中管理具有挑战性的伤口提供有效策略。




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