该研究开发了一种凝聚作用触发的成型方法，使重组人胶原蛋白（RHC）和单宁酸（TA）能够进行分层组装，该方法制备的水凝胶具有作为手术密封材料的多种优良性能，包括快速凝胶时间(10s)、凝血时间(60s)、超拉伸性(应变10000%)、强粘附力(粘附强度250 kPa)。最后成功应用于心脏和肝脏组织的牢固粘附和密封之用。这项工作为生物医学应用提供了一种在潮湿和动态生物环境中极具前景的水凝胶基外科密封剂。
该实验研究中采用的重组胶原蛋白（以下简称RHC）由江苏江山聚源生物技术有限公司研发生产，由杨洋博士提供给本研究项目组。
研究背景
粘附性水凝胶作为组织粘合剂、外科密封剂和止血材料具有巨大的应用潜力。然而，开发能够在潮湿、动态的生物组织上快速可控发挥粘附作用的水凝胶材料是一个巨大的挑战。因此，研发一种能改善水凝胶的湿粘附和即时止血性能，以及可塑、可成形和自愈合能力的水凝胶至关重要。
研究成果
在这项研究中，模拟了天然材料的凝聚过程和分层组装结构，通过引入RHC和TA分子，首次开发了一种非常有前途的水凝胶基手术密封胶。通过调节二者凝聚过程的参数，RHC和TA组装体的构象从颗粒状聚集体演变为网状聚集体（松散）和网状聚集体（致密），伴随着机械和粘附性能的显著增强。由此得到的分层结构水凝胶显示出了几个关键特征，满足潜在的手术密封胶的要求：(1)易于加工和操作，(2)快速的凝胶和止血能力，(3)强大的机械和坚韧的粘附性能，(4)超拉伸和自愈合能力，(5)良好的生物相容性。由于上述特性，水凝胶成功地应用于原位切口部位，并迅速凝聚，以在潮湿和动态的生物环境中实现强大的粘附。此外，RHC和TA本身都具有良好的生物相容性，且不需要额外的引发剂或交联剂。
本研究提出了一种很有前景的手术密封胶，可广泛应用于手术体内生物组织的粘胶，为水凝胶结构设计提供了科学和应用依据，以促进高性能生物材料的先进制造。
实验路线及结果
图1 基于RHC和TA制备快速交联、高粘附、超拉伸和止血水凝胶的设计策略。(a)分子建模中RHC和TA的代表性结构。(b)基于RHC和TA之间物理相互作用的大分子组装到层次塑造的示意图。(c)水凝胶作为手术密封胶的不同特征。
图2 基于分子动力学模拟的RHC与TA之间的潜在相互作用。(a)从分子建模中获得的RHC和TA的代表性结构及其相应的表面显示结果。(b)RHC与TA相互作用过程中空间构象变化的分子动力学模拟。(c)TA分子与RHC蛋白氨基酸之间氢键相互作用的模拟模型。黄色的虚线：氢键。(d)RHC和TA的结合能随模拟时间的变化。透琼斯势(LJ势）、静电势能（库仑势）。(e)RHC和TA之间的质心距离作为模拟时间的函数。(f)RHC的均方根偏差（RMSD）作为模拟时间的函数。
图3 不同成分的RHC与TA之间的凝聚相互作用。(a)不同组成的水凝胶前驱体的光学图像、(b) SEM图像、(c)紫外-可见光谱、(d) FTIR光谱。
图4 RHC-TA水凝胶的合成与表征。(a)RHC溶液（20% w/v）、TA溶液（40% w/v）及其混合物的光学图像变成了略黄色的水凝胶。(b)在RHC和TA之间不同浓度下的水凝胶形成示意图。(c)不同的水凝胶形成阶段，从液体、颗粒状聚集物到网状聚集物。(d)不同水凝胶形成阶段的光学和荧光图像。比例尺：400µm。
研究意义
本研究通过联合应用RHC和TA，开发能够在潮湿、动态的生物组织上快速可控发挥粘附作用的水凝胶材料，显著提高了机械性能和粘附性能。
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