Enlisting a Traditional Chinese Medicine to tune the gelation kinetics of a bioactive tissue adhesive for fast hemostasis or minimally invasive therapy

利用中藥來調(diào)節(jié)生物活性組織粘合劑的凝膠動力學(xué)，以實現(xiàn)快速止血或微創(chuàng)治療

來源：Bioactive Materials 6 (2021) 905–917

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

本研究提出一種基于中藥硼砂（Borax）的凝膠動力學(xué)調(diào)控策略，通過調(diào)節(jié)酰胺化反應(yīng)體系的pH環(huán)境，精準(zhǔn)控制PEG-溶菌酶（PEG-LZM）水凝膠的凝膠時間（3秒至數(shù)分鐘），同時保持水凝膠的物理性質(zhì)（如粘附強度、流變性能）不變。硼砂的加入提供堿性緩沖環(huán)境，促進(jìn)氨基去質(zhì)子化，加速酰胺鍵形成（圖1）。該策略賦予水凝膠雙重優(yōu)勢：

 

 

快速止血：高濃度硼砂（20 mg/mL）使凝膠時間縮短至3秒，可即時封閉心室穿透傷（圖7）；

 

微創(chuàng)治療適配：調(diào)節(jié)硼砂濃度可匹配導(dǎo)管內(nèi)流動時間，實現(xiàn)深部組織（如胃穿孔）的無創(chuàng)封堵（圖3）；

 

 

抗菌增效：硼砂的生物活性顯著提升水凝膠對金黃色葡萄球菌（S. aureus）和大腸桿菌（E. coli）的抑制率（圖5）。

 

 

2. 研究目的

 

解決化學(xué)交聯(lián)水凝膠凝膠速率難以精細(xì)調(diào)控的瓶頸問題：

 

傳統(tǒng)方法（改變前體濃度）會同步改變水凝膠物理性質(zhì)；

 

開發(fā)一種不改變材料組成即可靈活調(diào)節(jié)凝膠時間的方法，適配緊急止血（快凝）與微創(chuàng)治療（慢凝）的臨床需求。

 

3. 研究思路

 

硼砂緩沖機制→凝膠動力學(xué)調(diào)控→應(yīng)用驗證：

 

機制解析：

 

硼砂水解產(chǎn)生B(OH)?/B(OH)??緩沖對（pKa≈9.2），消耗反應(yīng)生成的H?，維持弱堿性環(huán)境（圖1c）；

 

堿性環(huán)境促進(jìn)氨基（-NH?）去質(zhì)子化，加速親核攻擊PEG-NHS的羰基碳（圖1a）。

 

凝膠時間調(diào)控：

 

通過調(diào)節(jié)硼砂濃度（1.5–20 mg/mL）精確控制凝膠時間（圖2b），擬合指數(shù)方程：Gelation Time = 3.117 + 4890.865 × 0.553<sup>濃度</sup>（R2=0.995）。

 

 

應(yīng)用驗證：

 

體外模型：噴涂快速凝膠封閉豬心肌出血（圖3a），導(dǎo)管內(nèi)定制凝膠時間匹配流動（圖3b）；

 

體內(nèi)療效：3秒封閉兔心室穿透傷（圖7），修復(fù)大鼠胃穿孔（圖8）。

 

 

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

（1）凝膠時間與pH調(diào)控（圖2）

 

數(shù)據(jù)：硼砂濃度從1.5 mg/mL增至20 mg/mL → 前體pH從7.42升至8.75（圖2a），凝膠時間從450秒縮短至3秒（圖2b）。

 

意義：首次實現(xiàn)不改變材料組成的凝膠時間精準(zhǔn)調(diào)控，突破傳統(tǒng)濃度調(diào)節(jié)的局限性。

 

（2）物理性質(zhì)恒定性（圖4a）

 

 

數(shù)據(jù)：不同硼砂濃度（2–20 mg/mL）下水凝膠的儲能模量（G'）均穩(wěn)定在~1200 Pa（圖4a）。

 

意義：證實硼砂僅調(diào)節(jié)反應(yīng)動力學(xué)，不影響水凝膠力學(xué)性能，保障臨床應(yīng)用的可靠性。

 

（3）抗菌性能提升（圖5）

 

數(shù)據(jù)：添加硼砂（20 mg/mL）后，水凝膠對S. aureus和E. coli的抗菌率分別達(dá)99.2%和98.5%（圖5b），MRSA生物膜形成被完全抑制（圖5c）。

 

意義：硼砂賦予水凝膠固有抗菌活性，減少感染風(fēng)險。

 

（4）體內(nèi)快速止血（圖7）

 

數(shù)據(jù)：硼砂水凝膠3秒封閉兔心室傷口（直徑1.2 mm），術(shù)后3周心功能（EF%和FS%）完全恢復(fù)（圖7b-c）。

 

意義：驗證緊急止血可行性，無需輔助縫合。

 

5. 核心結(jié)論

 

硼砂緩沖機制普適：適用于多種蛋白（溶菌酶、BSA、血紅蛋白），通過pH調(diào)控加速酰胺化反應(yīng)。

 

凝膠時間-濃度定量關(guān)系：建立指數(shù)方程，實現(xiàn)臨床場景定制化（快凝止血/慢凝微創(chuàng)）。

 

性能不變+功能增強：物理性質(zhì)恒定，同時提升抗菌性、生物相容性（圖6）與止血效率。

 

 

臨床轉(zhuǎn)化潛力：硼砂為臨床常用藥物，方案易于操作，適配緊急與微創(chuàng)治療場景。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

 

技術(shù)原理與優(yōu)勢：

 

微電極pH傳感系統(tǒng)（PXF2078）：100 μm尖端直徑，高空間分辨率測量凝膠內(nèi)部pH（方法2.4）；

 

原位無損檢測：直接插入水凝膠/溶液，避免取樣破壞，實時監(jiān)測反應(yīng)過程pH變化。

 

關(guān)鍵科學(xué)貢獻(xiàn)：

 

揭示硼砂作用機制：

 

Unisense數(shù)據(jù)證實：添加硼砂后前體pH從7.4升至8.9（圖2a），反應(yīng)后凝膠pH維持在6.0–6.5（圖S4），而對照組降至3.1–3.6；

 

對比實驗：相同pH下，硼砂組凝膠時間比NaOH組短（圖1e），證明其持續(xù)緩沖能力（消耗H?）優(yōu)于一次性堿調(diào)節(jié)。

 

量化pH-凝膠時間關(guān)聯(lián)：

 

“微電極數(shù)據(jù)建立pH與凝膠時間的定量關(guān)系（圖2），為臨床定制提供參數(shù)基準(zhǔn)。”

 

驗證生物相容性：

 

測量植入后凝膠pH（~6.5），解釋無炎癥反應(yīng)原因（圖6e），支持體內(nèi)安全性結(jié)論。

 

領(lǐng)域突破性價值：

 

解決傳統(tǒng)pH試紙/電極的空間分辨率不足問題，精準(zhǔn)捕捉凝膠內(nèi)部微環(huán)境變化；

 

為智能水凝膠設(shè)計提供動態(tài)pH監(jiān)測方法論，推動反應(yīng)動力學(xué)調(diào)控的標(biāo)準(zhǔn)化。

 

注：Unisense微電極是本研究的核心分析工具，其高精度pH數(shù)據(jù)為“硼砂緩沖機制”提供直接證據(jù)，并架起基礎(chǔ)研究（反應(yīng)動力學(xué)）與臨床應(yīng)用（止血/微創(chuàng)）的橋梁。