研究簡介:可注射的組織粘合劑因其便捷的輸送方式和高形狀適應性而在臨床上被廣泛應用，尤其是在止血和組織修復方面。然而目前的組織粘合劑在凝膠化速率上存在局限性，無法根據不同的臨床需求進行精細調節。此外，快速凝膠化對于止血至關重要，而緩慢且可控的凝膠化則有利于填充不規則形狀的傷口。因此，開發一種能夠精確調節凝膠化時間的組織粘合劑具有重要的臨床意義。研究人員提出了一種利用硼砂調節酰胺化反應速率的策略。硼砂作為一種傳統的中藥，具有抗菌、抗病毒等多種生物活性。在化學上，硼砂是一種強堿弱酸鹽，能夠在水中水解并建立弱堿性緩沖環境，從而促進氨基的去質子化過程，加速酰胺化反應。

實驗中，研究團隊使用了聚乙二醇-溶菌酶（PEG-LZM）作為模型粘合劑，通過改變硼砂的濃度來調節凝膠化時間，并通過一系列實驗驗證了硼砂對凝膠化時間的調節效果、物理性質的影響、抗菌能力的增強以及在體外和體內的生物相容性。研究表明硼砂不僅能夠通過其pH緩沖能力調節凝膠化時間，還能增強水凝膠的抗菌性能，同時保持其物理性質不變。這種通過硼砂調節的PEG-LZM水凝膠在快速止血和微創治療方面具有顯著優勢。盡管硼砂具有抗菌性能，但PEG-LZM/硼砂水凝膠仍保持了良好的細胞親和性和組織/血液相容性，這表明該材料在臨床應用中具有較高的安全性。這項研究不僅為調節水凝膠的凝膠化動力學提供了一種簡單而有效的方法，還為開發具有多種生物活性的新型組織粘合劑開辟了新的途徑。通過精確控制凝膠化時間，這種水凝膠可以滿足不同的臨床需求，如緊急止血和微創治療，具有廣闊的應用前景。

Unisense微電極研究系統的應用

Unisense微電極系統被用于測量溶液或水凝膠的pH值。使用了Unisense微電極研究系統，該系統包含pH微電極（尖端直徑為100μm）。在每次測量之前，都會進行校準，以確定電位與pH值之間的對應關系，并生成標準曲線。將清潔的pH工作電極和參比電極同時插入到溶液或凝膠（凝膠化后12小時）中，根據標準曲線獲得不同樣品的pH值。通過精確測量pH值，Unisense微電極系統幫助研究人員了解硼砂對溶液pH的調節作用，以及這種調節如何影響PEG-LZM水凝膠的凝膠化動力學。

實驗結論

實驗結果表明，通過改變硼砂的濃度，PEG-LZM水凝膠的凝膠化時間可以從幾秒到幾分鐘不等，而其物理性質保持不變。具體來說，當硼砂濃度為20 mg/mL時，凝膠化時間可以縮短至3秒。此外，加入硼砂后，水凝膠的抗菌能力得到顯著提高，對金黃色葡萄球菌（S.aureus）和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）的抑制效果更強。在體內實驗中，用PEG-LZM/硼砂水凝膠處理的傷口顯示出較少的炎癥反應和細菌數量。盡管凝膠化時間發生了變化，但水凝膠的物理性質（如粘彈性、機械強度和組織粘附能力）保持不變。這表明硼砂的加入并未對水凝膠的基本性能產生負面影響。實驗還評估了PEG-LZM/硼砂水凝膠的細胞親和性和組織/血液相容性。結果表明，即使在高濃度硼砂（10 mg/mL）的情況下，水凝膠仍能支持細胞生長，并且在體內實驗中顯示出良好的組織相容性和血液相容性。

圖1、（a）PEG-LZM水凝膠的凝膠化時間可以通過中藥（硼砂）輸入策略進行調節，該策略提供初始堿性緩沖以促進氨基的去質子化過程并加速酰胺化反應。（b）對于應用，模型1代表了一個緊急治療案例。凝膠化時間最快（≤3 s）的PEG-LZM可以立即閉合兔左心室壁缺損并止血。模型2代表微創治療案例。可以調節凝膠時間以匹配水凝膠前體在導管中的流動時間，這為深層組織傷口的微創閉合鋪平了道路。同時硼砂摻入可以提高水凝膠的抗菌能力。

圖2、（a）前驅體A的pH值和（b）PEG-LZM/硼砂水凝膠的凝膠化時間隨前驅體A中不同硼砂濃度的變化而變化。插件顯示了在1.5–3.5 mg mL的低硼砂下測得的數據。硼砂濃度的凝膠化時間遵循指數方程。

圖3、定制凝膠的離體建模（a）將混合膠凝溶液均勻噴灑在（1）豬皮和（2）心肌上，并瞬間凝固以密封模型傷口，即使有噴涌的水也是如此。（b）在體外模擬PEG-LZM/硼砂水凝膠的微創遞送，混合膠凝溶液在微創導管中平穩飛行，并在很短的時間內在出口處凝固以密封管頂部。

圖4、PEG-LZM/硼砂水凝膠抗菌活性的評價。（a）金黃色葡萄球菌和大腸桿菌分別暴露于PEGLZM或PEG-LZM/硼砂水凝膠后形成的細菌菌落的照片。（b）不同樣品的抗菌率。（c）不同樣品表面MRSA生物膜的Live/Dead熒光染色和SEM觀察照片。（d）體內抗菌研究。使用商用3 M敷料或PEG-LZM/硼砂水凝膠治療的傷口照片。（e）從傷口區域收集細菌并在瓊脂糖凝膠培養基上培養。（f）通過H&E染色對周圍傷口進行組織學分析。

圖5、PEG-LZM/硼砂水凝膠的細胞親和力和生物相容性。（a）C2C12細胞和L929細胞在孔板和水凝膠表面的細胞擴散形態（細胞骨架熒光染色）。（b）不同組的平均細胞鋪展面積依賴于免疫熒光染色。（c）接種在PEG-LZM/硼砂表面不同時間的細胞的活/死免疫熒光染色。（d）接種在PEG-LZM/硼砂上的細胞增殖與接種在細胞板上接種1天的細胞標準化。（e）PEG-LZM/硼砂水凝膠的體內生物相容性。（植入1周后PEG-LZM/Borax水凝膠的照片，以及周圍組織的H&E染色）（f）不同樣品的溶血比率。

結論與展望

凝膠動力學對于為不同應用定制化學交聯水凝膠基注射粘合劑非常重要。然而凝膠速率的調節通常僅限于改變凝膠前體和/或交聯劑濃度，這不能達到精細水平，不可避免地會改變水凝膠的物理性質。酰胺化反應廣泛用于合成水凝膠粘合劑。在這項工作中，研究人員提出了一種中醫（Borax）輸入策略來調節酰胺化反應觸發系統的凝膠化速率。硼砂不僅能夠通過其pH緩沖能力調節凝膠化時間，還能增強水凝膠的抗菌性能，同時保持其物理性質不變。Unisense微電極系統在本研究中發揮了關鍵作用，通過其高精度和微米級空間分辨率，能夠實時監測和記錄溶液或水凝膠的pH變化。這使得研究人員能夠準確地評估硼砂對凝膠化過程的影響，為開發具有精確凝膠化時間控制的新型組織粘合劑提供了重要的實驗依據。

硼砂提供了一個初始的基本緩沖環境，以促進氨基的去質子化過程并加速該反應。通過使用組織膠粘劑模型PEG-溶菌酶（PEG-LZM），凝膠化時間可以從幾秒鐘調節到幾分鐘，硼砂濃度不同，而物理性質保持不變。此外由于硼砂的生物活性，可以提高抗菌能力。可以調節水凝膠前體以立即凝固，以在緊急情況下閉合出血傷口。同時它們還可以定制以匹配導管中的流動時間，從而促進微創組織密封。這種通過硼砂調節的PEG-LZM水凝膠在快速止血和微創治療方面具有顯著優勢。例如在兔子左心室壁缺損模型中，該水凝膠能夠在幾秒鐘內迅速封閉傷口并止血。此外，它還可以通過微創方式輸送至深部傷口，如胃穿孔，實現組織密封。研究不僅為調節水凝膠的凝膠化動力學提供了一種簡單而有效的方法，還為開發具有多種生物活性的新型組織粘合劑開辟了新的途徑。通過精確控制凝膠化時間，這種水凝膠可以滿足不同的臨床需求，如緊急止血和微創治療，具有廣闊的應用前景。