聚合物基仿生粘合劑的開發(fā)與應(yīng)用

蔣龍僑，曹曉霞，潘 琴

(恩施州中心醫(yī)院，湖北 恩施 445000)

人體受傷組織的閉合是其結(jié)構(gòu)和功能重建的關(guān)鍵步驟，全世界每年約有 1.14億例手術(shù)造成的組織損傷。生物醫(yī)用粘合劑又稱組織粘合劑，是一類用于生物組織創(chuàng)傷粘合修復(fù)的粘合劑。近年來(lái)，生物醫(yī)用粘合劑因?yàn)槠涫褂梅奖慵霸趥陂]合、止血、組織密封展現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)，使其在手術(shù)縫合中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。生物醫(yī)用粘合劑從功能上可分為膠粘劑、止血?jiǎng)┖兔芊鈩皇中g(shù)中使用的粘合劑從劑型上又可分為可注射水凝膠類膠粘劑和粘附型貼片膠粘劑。我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)有的醫(yī)用膠粘劑雖然在一定程度上能滿足使用需求，但在濕態(tài)下如何使其對(duì)生物組織產(chǎn)生強(qiáng)力粘附一直是手術(shù)室臨床應(yīng)用中面臨的難題。在自然界中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化，許多動(dòng)物或者植物可以能在水下或潮濕環(huán)境中強(qiáng)力粘附在各種表面。因此，人們就從生物、化學(xué)和物理仿生的角度模擬各種動(dòng)植物的粘附機(jī)制，開發(fā)了一系列仿生醫(yī)用膠粘劑。本文針對(duì)各類聚合物基仿生醫(yī)用粘合劑在手術(shù)中的開發(fā)與應(yīng)用進(jìn)行了探究，最后展望了醫(yī)用粘合劑的未來(lái)發(fā)展方向。

1 聚合物基仿生醫(yī)用粘合劑的開發(fā)與粘合機(jī)制

1.1 生物仿生粘合劑

纖維蛋白膠

作為人體血液中的一種蛋白質(zhì)，纖維蛋白在血液凝固過(guò)程中起重要作用。典型的纖維蛋白膠主要由濃縮的纖維蛋白原(組分A，含凝血因子 XIII 和其他血漿蛋白)和凝血酶(組分B，含氯化鈣和纖維蛋白溶解抑制劑)組成，它能模擬凝血級(jí)聯(lián)反應(yīng)的最后階段，是目前手術(shù)臨床上使用最廣泛的組織粘合劑。組分 A和B混合后，纖維蛋白原在凝血酶作用下形成纖維蛋白單體，并進(jìn)一步形成聚合物。同時(shí)凝血酶在氯化鈣存在下激活凝血因子X(jué)III，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐蜃覺(jué)IIIa，通過(guò)使纖維蛋白分子間形成酰胺鍵交聯(lián)并形成不溶性凝塊而穩(wěn)定交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并同時(shí)與周圍生物組織間形成交聯(lián)。纖維蛋白膠具有良好的生物相容性和降解性，可噴涂或注射，且具有成膠速率快、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，常被視為醫(yī)用粘合劑的標(biāo)準(zhǔn)。纖維蛋白膠具有止血功能，常被用作止血?jiǎng)┖兔芊鈩谑中g(shù)室中的各類外科手術(shù)中用于局部止血、防止?jié)B透、防止組織粘連和促進(jìn)愈合。

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化的膠粘劑

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶可在人體中催化蛋白質(zhì)間/內(nèi)的?；D(zhuǎn)移反應(yīng)，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)(或多肽)之間發(fā)生共價(jià)交聯(lián)，一般用于形成生物屏障的制造以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定所必需的交聯(lián)蛋白質(zhì)，如血液凝塊(凝血因子X(jué)III)、皮膚(角質(zhì)形成)和頭發(fā)。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶是鈣依賴性的。微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(microbial transglutaminase, mTG)常用于催化谷氨酰胺和賴氨酸殘基之間的?；D(zhuǎn)移反應(yīng)而使明膠交聯(lián)，凝膠時(shí)間可控制在幾分鐘之內(nèi)。所得粘合劑的楊氏模量與纖維蛋白膠相當(dāng)，而其搭接剪切粘接強(qiáng)度則顯著高于纖維蛋白膠的相應(yīng)值。 mTG 除了能催化谷氨酰胺和賴氨酸殘基之間的酰基轉(zhuǎn)移反應(yīng)，還能催化谷氨酰胺和其他殼聚糖側(cè)鏈胺基等的反應(yīng)，被廣泛用于醫(yī)用粘合劑的開發(fā)中，且所得粘合劑對(duì)生物組織的粘接力強(qiáng)，pH值和熱穩(wěn)定性好。

基于大鯢皮膚分泌物的組織粘合劑

大鯢的皮膚腺體在受到刺激時(shí)會(huì)分泌白色黏液，其主要成分是蛋白質(zhì)、氨基酸、粘多糖及抗菌肽等。有學(xué)者收集了大鯢皮膚黏液，經(jīng)純化、冷凍干燥和研磨后即可得到一種用于傷口愈合的基于大鯢皮膚分泌物的組織粘合劑。這種組織粘合劑比纖維蛋白膠具有更強(qiáng)的組織粘附能力，且展現(xiàn)出優(yōu)于氰基丙烯酸酯粘合劑的彈性和生物相容性，可以促進(jìn)皮膚傷口的愈合并在 3 周內(nèi)完全降解；還在大鯢、蟾蜍等3種兩棲動(dòng)物分泌的皮膚黏液中檢測(cè)出 56 種不同類型的抗菌肽，這些抗菌肽能夠顯著抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)。基于大鯢皮膚分泌物的組織粘合劑的開發(fā)為仿生粘合劑的研究開辟了新的領(lǐng)域。

1.2 化學(xué)仿生粘合劑

多酚類粘合劑

在蜻蜓翅樹脂蛋白、蠶絲蛋白、蝗蟲角質(zhì)層等昆蟲結(jié)構(gòu)蛋白中，酪氨酸殘基之間可以通過(guò)光氧化反應(yīng)自發(fā)地發(fā)生交聯(lián)，從而賦予蛋白質(zhì)一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和彈性。 一種富含酪氨酸基、可見光交聯(lián)的仿生醫(yī)用粘合劑,在體內(nèi)、外研究中，該粘合劑表現(xiàn)出優(yōu)異的濕態(tài)組織粘附性和良好的生物相容性。此外，使用可見光激活交聯(lián)能實(shí)現(xiàn)可控、安全、快速的傷口封閉和愈合，可以在手術(shù)中用于臨床手術(shù)止血。

沙堡蠕蟲仿生膠粘劑

沙堡蠕蟲(Phragmatopoma Californica)生活在北美西海岸，通過(guò)自身分泌的粘性物質(zhì)將沙粒和貝殼碎片等粘在一起建造沙堡居住，其分泌腺的每個(gè)分泌細(xì)胞都有成百上千個(gè)粘合劑顆粒，能產(chǎn)生“均質(zhì)”或“異質(zhì)”分泌顆粒，可按需遞送。沙堡蠕蟲分泌出的生物粘附膠水除了有適量的DOPA 存在，還包含 6 種不同類型的粘附蛋白(陽(yáng)離子和陰離子型蛋白質(zhì))、硫酸多糖和鎂離子。其中，陽(yáng)離子型蛋白包括 Pc1、Pc2、Pc4 和 Pc5；陰離子型蛋白質(zhì)包括 Pc3A和Pc3B。沙堡蠕蟲分泌的粘附劑在水下與這些顆粒混合，約30 s發(fā)生初始固化，依靠海水和分泌系統(tǒng)的 pH值差異使得 Mg與 Pc3 之間的鍵強(qiáng)發(fā)生改變，又利用磷酸鹽增強(qiáng)固化，Ca、Zn、Fe等通過(guò)與DOPA 配位螯合促進(jìn)固化，將分泌顆粒固定。

1.3 物理仿生膠粘劑

根據(jù)粘附機(jī)理的不同，仿生粘附材料大致可分為可逆粘附和永久粘附2大類。壁虎的可逆粘附是基于其腳趾多尺度微納結(jié)構(gòu)與接觸面間的范德華力，貽貝的永久粘附則源自其分泌的粘附蛋白。

1.4 壁虎仿生膠粘劑

壁虎能牢牢粘附在各種基底表面，甚至垂直的墻壁，主要?dú)w功于其腳趾的精細(xì)結(jié)構(gòu)。壁虎的每個(gè)腳趾上都有由數(shù)百個(gè)鏟狀匙突組成的剛毛陣列，鏟狀匙突和各種基底表面之間通過(guò)范德華力在親水/疏水、粗糙/光滑的幾乎任何表面上獲得了大的粘附力和摩擦力。受壁虎腳趾粘附機(jī)理的啟發(fā)，模擬壁虎剛毛表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的粘附表面已成為目前仿生材料的研究熱點(diǎn)之一。研究者們相繼開發(fā)了多種壁虎仿生醫(yī)用粘合劑，基于聚癸二酸甘油酯(PGSA)通過(guò)紫外光固化法制備了納米圖案化的 PGSA粘附貼片，其粘附強(qiáng)度比無(wú)圖案化的聚合物膜的粘附強(qiáng)度高近2倍。為了進(jìn)一步提高粘附貼片對(duì)生物組織的粘附強(qiáng)度，在壁虎仿生PGSA粘附貼片上涂了一層薄薄的具有醛官能團(tuán)的氧化葡聚糖以促進(jìn)其與生物組織的共價(jià)交聯(lián)；體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明該粘附貼片排異反應(yīng)小，在手術(shù)中可代替手術(shù)縫合線或鉚釘用于封閉傷口。

1.5 章魚、吸盤魚仿生粘合劑

章魚是一種通常在海底巖石或縫隙中棲息的海洋軟體動(dòng)物。章魚臂上覆蓋著用作肌肉液壓調(diào)節(jié)的錐狀吸盤，使其能夠粘附在光滑、粗糙或不規(guī)則的各種表面。章魚吸盤包括漏斗和髖臼2部分，其中漏斗作為吸盤的主要結(jié)構(gòu)，可直接與材料界面接觸，其表面存在大量凹槽和細(xì)齒狀形態(tài)，有利于增強(qiáng)粘附。漏斗邊緣有一圈折疊的纖維組織，可起到密封作用。章魚通過(guò)吸盤附著到目標(biāo)物，在邊緣處形成密封，然后在髖臼中引起負(fù)壓從而產(chǎn)生附著力。附著力與目標(biāo)表面的材料性質(zhì)無(wú)關(guān)。有研究者開發(fā)了一種用于在PDMS基板上制造非密堆積納米吸盤的簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的模板技術(shù)。模板化的納米吸盤陣列在干燥表面和潮濕表面上均顯示了出色的黏附能力，在手術(shù)室中可用于止血、傷口護(hù)理等。

1.6 常春藤仿生粘合劑

常春藤(English ivy)是原生于歐洲和西亞的藤狀植物，能爬升陡峭乃至垂直的表面。研究表明常春藤之所以能“抓住”陡峭墻壁，并對(duì)其施加強(qiáng)大的粘附力，以致可以從墻體上撕下磚塊并破壞建筑物外墻，是因?yàn)樗芊置谇驙钐堑鞍准{米顆粒。這些常春藤納米顆粒分散液由于黏度低的特性，能順利滲透到墻體縫隙中成膜，并通過(guò)鈣交聯(lián)進(jìn)一步增強(qiáng)膜強(qiáng)度，從而使常春藤的須根與其攀爬的表面之間形成強(qiáng)有力的機(jī)械鎖合。常春藤所采取的粘附策略啟示了我們改變聚合物的水分散狀態(tài)從而改變其流動(dòng)性能夠使粘合劑更好地浸潤(rùn)并滲透到所粘接的表面，為醫(yī)用粘合劑的開發(fā)提供了新思路。

2 聚合物基仿生醫(yī)用粘合劑在手術(shù)中的應(yīng)用

2.1 傷口粘合劑

相對(duì)于傳統(tǒng)的手術(shù)縫合線等傷口縫合方式，醫(yī)用粘合劑使用方便，可以縮短手術(shù)時(shí)間、減少對(duì)組織的損傷、促進(jìn)傷口愈合并減輕疤痕形成，提供更好的液/氣密封。醫(yī)用粘合劑被廣泛用于軟組織傷口特別是狹長(zhǎng)的小傷口的封閉中。纖維蛋白膠是目前手術(shù)臨床應(yīng)用最廣的醫(yī)用粘合劑，能用于軟組織傷口粘合修復(fù)，但其對(duì)生物組織的粘附強(qiáng)度較低。mTG 催化交聯(lián)的明膠或殼聚糖也曾被用于軟組織粘合，其對(duì)生物組織的粘附強(qiáng)度顯著高于纖維蛋白膠。大鯢皮膚分泌物制備的組織粘合劑也展現(xiàn)出優(yōu)于纖維蛋白膠的組織粘附能力，以及優(yōu)于氰基丙烯酸酯粘合劑的彈性和生物相容性，可促進(jìn)皮膚傷口的愈合。明膠和聚多巴胺交聯(lián)組成的 IPN 結(jié)構(gòu)使得該凍干凝膠具有良好的可注射性、較強(qiáng)的力學(xué)性能和形狀記憶功能，能夠快速止血，且具有優(yōu)異的抗氧化活性和光熱殺菌能力。

2.2 止血?jiǎng)?/h3>

過(guò)度失血是戰(zhàn)爭(zhēng)創(chuàng)傷、交通事故、自然災(zāi)害以及手術(shù)治療過(guò)程中致死的主要原因，因此在手術(shù)中對(duì)于中、重度出血的快速、高效止血尤為重要。因?yàn)榉律澈蟿┒际悄M人體凝血過(guò)程的最后階段而開發(fā)的，纖維蛋白膠及轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化的粘合劑常被用作止血?jiǎng)?。通過(guò)季戊四醇四丙烯酸酯、短鏈聚乙二醇二丙烯酸酯和多巴胺鹽酸鹽進(jìn)行三元邁克爾加成反應(yīng)，制備了一種同時(shí)具有疏水骨架和親水官能團(tuán)的超支化聚合物粘合劑(HBPA)。該粘合劑遇水即粘，不僅可以實(shí)現(xiàn)在水下對(duì)多種基質(zhì)的強(qiáng)粘附，并且利用模塊化反應(yīng)在該粘合劑體系中引入長(zhǎng)鏈烷基胺還可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)脈血管以及深度不規(guī)則傷口的快速止血。以絲素(SF)和單寧酸與原位生成的銀納米粒子結(jié)合制備了功能化抗菌水凝膠粘合劑。絲素單寧酸復(fù)合生物粘合劑可作為傷口敷料用于組織/傷口愈合，對(duì)于縮短手術(shù)時(shí)間、減少細(xì)菌感染和防止體液泄漏等組織/傷口愈合具有重要意義。

2.3 密封劑

在手術(shù)中，密封劑用于提供水密性(如腦脊液(CSF))或氣密性(如肺手術(shù)后)密封。醫(yī)用粘合劑常被用作密封劑，用于防止腦脊液滲漏，心臟、肺等內(nèi)臟器官密封，以及血管縫合后用于防止?jié)B漏等。通過(guò)蛞蝓的粘附策略仿生，通過(guò)粘附層和耗散層結(jié)合的策略開發(fā)了一系列高強(qiáng)、高韌的固態(tài)粘合劑，該固態(tài)粘合劑被用作粘附貼片粘附在有滲漏的離體豬心臟上以防止液體滲漏，其破裂壓力接近 53.33 kpa (400 mmHg)。開發(fā)了由天然聚合物(明膠或殼聚糖)和接枝-琥珀酰亞胺酯的聚丙烯酸組成的干燥雙面膠粘劑(DST)。干燥的 DST 通過(guò)吸水作用能快速去除生物組織表面的界面水，從而與表面通過(guò)氫鍵產(chǎn)生初粘力，并通過(guò)與組織表面的胺基發(fā)生共價(jià)交聯(lián)進(jìn)一步提高 DST 的粘附穩(wěn)定性和強(qiáng)度。體外小鼠、大鼠和豬離體模型實(shí)驗(yàn)表明，DST 可在5 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種濕動(dòng)態(tài)組織與工程固體的強(qiáng)粘附，可用作組織粘合劑和密封劑，以及將可穿戴和可植入裝置粘附到濕組織上。

2.4 硬組織粘合劑

除了用于軟組織傷口粘合修復(fù)，醫(yī)用粘合劑還能用于骨和牙齒缺損的填充，用于骨折特別是粉碎性骨折的內(nèi)固定以及連接軟組織和硬組織。與傳統(tǒng)的內(nèi)固定裝置相比，骨粘合劑在治療骨損傷方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，包括粉碎性骨折的更好固定和分散性骨折碎片的空間位置保持。骨粘合劑的設(shè)計(jì)除了具有粘接性能外，還具有生物降解性、生物相容性和多種功能性。將貽貝啟發(fā)的檸檬酸基生物粘合劑與羥基磷灰石復(fù)合，開發(fā)了骨粘合劑，其展現(xiàn)出較強(qiáng)的骨粘附能力，能促進(jìn)兔粉碎性骨折的粘合修復(fù)。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，通過(guò)從生物、化學(xué)和物理等方面模擬自然界中各種動(dòng)植物的附策略，相繼開發(fā)出多種仿生醫(yī)用粘合劑，取得了豐碩的科研成果，并有多項(xiàng)產(chǎn)品被推向臨床應(yīng)用。與傳統(tǒng)的醫(yī)用粘合劑相比, 仿生醫(yī)用粘合劑的開發(fā)更具有定向性，形式多樣，具有生物相容性好、組織粘附強(qiáng)度高、力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。在手術(shù)中，仿生醫(yī)用粘合劑被廣泛用作膠粘劑、止血?jiǎng)┖兔芊鈩糜谲浗M織傷口閉合或硬組織損傷修復(fù)等組織再生修復(fù)領(lǐng)域。未來(lái)新一代粘合劑將根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)展出多功能通用性醫(yī)用膠粘劑或特定功能的醫(yī)用膠粘劑，被用在更加寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域。兼具生物活性和粘附基本性能，2方面特征的活細(xì)菌膠粘劑毋容置疑將是未來(lái)醫(yī)用膠粘劑研究的一大熱點(diǎn)。