当外科医生需要在同一部位再次手术时，粘连(器官组织与周围组织粘连)是一个相对常见的问题，在心脏手术中，每年有20%的病例发生这种情况。在心脏手术中，心外膜手术创伤导致的纤维蛋白溶解活性降低，可导致心外膜和胸腔内其他组织之间形成纤维粘连。这些纤维粘连的形成阻碍了心脏功能，并且阻碍可视性而使再切开手术严重复杂化增加解剖过程中的死亡风险。当患者是患有心脏畸形的儿童时，再手术尤其常见—随着儿童心脏的生长，需要额外的干预。改善心脏粘连形成的一种有前景的方法是在心外膜上覆盖一层快速胶凝的聚合物屏障，以防止易感组织粘附到胸骨或胸腔中的其他器官。已经研究了多种材料来减少和预防手术粘连，然而，由于心脏动态运动导致的聚合物滞留时间短、降解时间短以及过度膨胀，在预防或减轻心脏粘连严重程度方面的成功有限。
鉴于此，加州大学圣地亚哥分校Karen L. Christman教授团队在最初的 Ald-AO 凝胶配方研究基础上，提出了一种由肟交联聚乙二醇(PEG) 组成的水凝胶屏障，其中包含儿茶酚 (Cat) 基团，以改善在心脏上的保留，以预防心包粘连。该三组分系统由醛 (Ald)、氨氧基 (AO) 和 Cat 官能化 PEG 组成，它们混合形成最终凝胶 (Ald-AO-Cat)。与最初的Ald-AO凝胶配方相比，Ald-AO-Cat具有良好的机械性能、降解动力学和最小的膨胀，以及优异的组织保持力,该研究近期以题为“Preventing post-surgical cardiac adhesions with a catechol-functionalized oxime hydrogel” 于近期发表在了《Nature Communications》上，显示了其在作为预防术后心脏粘连的巨大潜力。
聚合物的合成与表征
这种肟水凝胶体系需要合成三种不同的聚乙二醇聚合物:醛官能化(Ald-8聚乙二醇)、氨基氧官能化(AO-8聚乙二醇)和儿茶酚官能化(Cat-8聚乙二醇)。Ald-8聚乙二醇和AO-8聚乙二醇在团队的前期已有报道，Cat-8PEG通过用4-硝基苯基氯甲酸酯(NPC)活化8-arm聚乙二醇，然后用盐酸去保护，分两步合成。
儿茶酚功能化肟水凝胶的制备
水凝胶的形成和表征
为了找到最佳的水凝胶参数，改变Ald-AO-Cat凝胶形成过程中Cat-8聚乙二醇的比例。Ald–AO–Cat凝胶中Cat-8PEG含量的增加导致储能模量G’降低，变化范围在17.0±0.6 KPa至2.6±1.8 Kpa的Cat-8PEG掺入量分别为0 wt% Cat-8PEG和50 wt %。水凝胶的体外降解显示，与Ald-AO相比，Ald-AO-Cat的体外滞留在组织表面的滞留时间明显更长，超过8天。
快速胶凝肟水凝胶的表征
体外细胞研究
以肟水凝胶和组织培养塑料研究炎症细胞粘附。L929成纤维细胞和RAW巨噬细胞接种在每个表面上，并在孵育24小时后对细胞粘附进行成像，L929和RAW细胞的凝胶均观察到<1%的荧光面积。相反，L929和RAW在对照孔中观察到22%和6.6%的荧光面积，表明肟水凝胶可抵抗炎症细胞粘附。在与L929成纤维细胞单层直接接触孵育24小时后，评估Ald-AO-Cat凝胶的细胞相容性。将磷酸盐缓冲盐水和二乙基二硫代氨基甲酸锌分别掺入阳性和阴性对照的培养基中。与阳性对照组相比，ALD-AO-Cat对细胞代谢活性没有显著影响。
Ald-AO-Cat的体外细胞粘附和细胞相容性测试
体内大鼠心脏粘连模型
对用Ald-AO-Cat凝胶与Ald-AO凝胶处理和未处理大鼠进行心脏粘连能力测试。当胸部再次进入时，进行心脏粘连形成的总体评估，在大鼠手术模型中应用2周后，Ald-AO-Cat可显著减少粘连形成，在大鼠手术模型中应用4周后，研究了心脏功能的维持。
大鼠手术模型
双重输送装置的设计和测试
为了在大动物模型中递送水凝胶系统，团队设计了空气辅助双重递送装置。通过比色喷雾试验证实，该装置设计可实现Ald–Cat-8PEG和AO-8PEG溶液在整个心脏前表面的最佳1:1输送比。与标准的1:1混合溶液相比，在离喷涂表面的所有距离处，混合比没有显著差异。将带有黄色和蓝色染色聚乙二醇溶液的装置喷涂到离体心外膜组织上，在组织表面产生0.5-1.0毫米厚的均质凝胶。
体内猪心脏粘附模型的初步研究
在一项试点研究中，使用猪心脏粘连模型来测试Ald-AO-Cat与未经治疗的对照组相比它们降低心脏粘连的覆盖范围和严重程度的能力。与3周和6周Ald-AO-Cat猪(分别为1.0和1.4)相比，对照组猪的心脏粘连强度更高
喷雾装置的设计、测试和在猪试验中的应用
总结
文中提供了一种解决术后心脏粘连问题的潜在解决方案。当尝试使用应用于心脏表面的物理屏障来解决这种情况时，还必须考虑所提议的水凝胶的固有特性。文中证明了 Ald-AO-Cat水凝胶具有非常适合胸腔内条件的机械特性和降解动力学。该材料还表现出较低的溶胀度，超过了现有产品的性能。试验猪心脏抗粘连数据支持进一步研究这种水凝胶装置的剂量和功效，以用于未来潜在的临床转化。
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
本文版权归原作者所有，文章内容不代表平台观点或立场。如有关于文章内容、版权或其他问题请与我方联系，我方将在核实情况后对相关内容做删除或保留处理！