近期，华东理工大学刘昌胜院士/屈雪教授于 Bioactive Materials 上联合发表研究性论文：利用中药调节生物活性组织粘合剂的凝胶动力学，用于快速止血或微创体内组织封闭。研究通过向聚乙二醇-溶菌酶（PEG-LZM）酰胺化水凝胶中引入硼砂调控-NH2的去质子化，实现了凝胶速率从几秒到几分钟的可控调节，并成功证实该体系可有效应用于紧急伤口闭合或微创组织密封。本研究为pH敏感型水凝胶的成胶动力学调控提供了一种简便策略。
研究内容简介
双组分原位交联的可注射水凝胶具有递送方便、形状适应性强等特点。其中，酰胺化反应触发的水凝胶对生物组织界面的强共价结合能力，使其作为组织粘合剂被广泛研究。不同类型伤口对凝胶速率的精准调控提出了较高要求。然而，调整凝胶前驱液浓度或交联剂含量的常规调控方式将不可避免地改变水凝胶的机械强度、内部结构、降解速度等性质。因此，亟需制定一种可精准调控凝胶速率，而不影响水凝胶其他性能的有效策略。
该研究开发了一种基于末端修饰活性酯的四臂聚乙二醇(4-arm-PEG-NHS)和溶菌酶（LZM）双组分的可注射水凝胶粘合剂，其中，4-arm-PEG-NHS上的活性酯可与LZM以及组织表面的-NH2发生酰胺化反应，从而实现水凝胶的原位交联。受启发于N原子去质子化可加速酰胺化反应的理论，研究人员推测具备pH缓冲能力的化合物可通过调控水凝胶体系酸碱度，增强–NH2亲核性，并以剂量依赖的方式调控凝胶速率。中药硼砂（Na2B4O7·10H2O）是一种典型的强碱弱酸盐，其B4O72-可被水解成等量的B(OH)3和B(OH)-4，两者形成的酸碱平衡（pKa≈9.2）可将溶液pH维持在弱碱性。基于此，该研究将硼砂引入PEG-LZM酰胺化水凝胶，成功赋予其凝胶动力学的可调性（图1）。一方面，硼砂会消耗质子氢，促进–NH2去质子化，加速酰胺化反应；另一方面，硼砂可以延缓酰胺化反应副产物（N-羟基琥珀酰亚胺）造成的pH降低，使水凝胶具备与生物组织类似的酸碱度。此外，硼砂还具有防腐、抗菌、抗病毒等优点，可赋予水凝胶丰富的生物活性。
图1：硼砂促进-NH2去质子化，调控PEG-LZM水凝胶的凝胶速率。
电解水实验证明酸性环境不利于成胶反应，而OH-形成的碱性环境有助于快速凝胶化。对比NaOH和硼砂在水凝胶体系(pH=8.9)中的添加效果，NaOH非缓冲体系的成胶时间在300 s以上，而硼砂缓冲体系的成胶时间则缩减至3 s内，这证实了凝胶速率的显著提高归因于硼砂强大的pH缓冲能力；采用H2BO3和HCl将水凝胶体系pH降到8.6后，两组的成胶时间延长至相同水平，这进一步证明硼砂提高凝胶速率归因于其pH缓冲能力，而非元素组成。通过改变LZM前驱液中硼砂含量，可以实现成胶时间从几秒到几分钟的可控调节，表明硼砂对凝胶速率的调控呈剂量依赖型（图2）。
图 2：硼砂调控凝胶速率的机理研究。
体内外微生物实验证明PEG-LZM/硼砂水凝胶具有显著抗菌活性，且抗菌能力随硼砂含量增加而提高。
图3：PEG-LZM /硼砂水凝胶的抗菌活性。
生物相容性实验证明最高硼砂含量（10 mg mL-1）的PEG-LZM水凝胶可保持良好的细胞相容性；大鼠背部皮下植入实验进一步证明材料植入一周后仅水凝胶-组织界面出现少量炎症细胞（绿色箭头），即正常短期异物反应；溶血实验证明水凝胶具有优异的血液相容性。
图4：PEG-LZM /硼砂水凝胶的生物相容性。
在兔左心室（LV）壁穿透性缺陷模型（d：1.2 mm）中，4-arm-PEG-NHS、LZM和硼砂的前驱液被注射到伤口后，在血液存在时迅速成胶，几秒内成功闭合缺损。超声心动图（ECHO）显示手术3周后，左心室射血分数（EF%）和缩短分数（FS%）恢复至正常水平。以上结果证明，硼砂调节的高凝胶速率PEG-LZM水凝胶可应用于紧急伤口密封。
图5：兔左心室壁穿透性缺陷模型的紧急伤口密封。
大鼠胃穿孔模型（d：2mm）微创手术证明凝胶速率可调为水凝胶的微创输送提供了便利，通过导管注射PEG-LZM/硼砂水凝胶前驱液使其原位成胶，可成功密封微创缺陷，且手术2周后仍保持密封完整。H&E染色结果显示PEG-LZM/硼砂水凝胶治疗组的胃黏膜和肌肉层已完全修复，治疗效果显著优于其它组别，这可归因于硼砂丰富的药理活性和溶菌酶的高细胞亲和力。以上结果证明，PEG-LZM/硼砂水凝胶可作为微创组织密封的高性能密封剂。
图6：大鼠胃穿孔模型的微创组织密封。
综上所述，该工作基于末端修饰活性酯的四臂聚乙二醇(4-arm-PEG-NHS) 与LZM以及组织表面-NH2的酰胺化反应，引入硼砂加速-NH2的去质子化，实现了体系凝胶速率从几秒到几分钟的可控调节，开发了一种凝胶动力学可控且具有多功能生物活性的PEG-LZM/硼砂水凝胶粘合剂，并成功证实该体系可有效应用于紧急伤口闭合和微创组织密封。更重要的是，该工作为其他pH敏感型水凝胶的凝胶动力学精准调控提供了一种简便、高效的策略。
