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光敏生物胶问世:20 秒止住动脉大出血,无需缝合

更新时间:2019-05-15 11:06:19    来源:DeepTech深科技    手机版

光敏生物胶问世:20 秒止住动脉大出血,无需缝合

DeepTech深科技 2019-05-15 11:06

5 月 14 日,《自然-通讯》(Nature Communications)发表的研究描述了一种可以让动脉和心脏创口闭合的光敏胶粘剂,该材料能快速止住高压大出血,且安全可降解,无不良反应,其效果已经在猪身上得到了证实,有望将来应用到临床。

这篇论文题为《一种可修复动脉和心脏出血的强力止血水凝胶》,由浙江大学医学院欧阳宏伟教授团队和华东理工大学朱麟勇教授合作完成。

20 秒内止血

众所周知,创伤后或手术中出现的无法控制的出血是造成死亡的主要原因之一,特别是主动脉出血以及心脏穿透伤导致很高的死亡率,而目前除了缝合或结扎尚无更好的止血手段。但这种缝合手术要求较高,人们一直在探索高效便捷的止血粘合材料。

目前已被用于血管吻合术的氰基丙烯酸酯(CA)是一种强力粘合剂,但它有细胞毒性并且不能粘合湿表面,因其在暴露于水后会立即固化。

浙江大学团队设计了一种模仿生物结缔组织构成的凝胶,能在紫外线(UV)照射下迅速固化。生物结缔组织通常由胶原蛋白、糖胺聚糖和水组成,具有强大而灵活的生物机械性能。

新发明的生物胶含有甲基丙烯酸酐化明胶 ( GelMA )、光板机分子修饰的透明质酸(HA-NB),两者的比例接近人体结缔组织中胶原蛋白与糖胺聚糖的比例。

在此前的研究中,这类 HA-NB 聚合物基质已经显示出良好的组织融合能力,但其大分子聚合需要 20 多秒,未聚合的材料在固化之前很容易被血流冲走。将 GelMA 组分引入水凝胶体系中,在紫外光照射后,不但能使生物胶在 1 秒内就实现固化,还能显著增强生物胶的力学性能。

图 | a 为对猪的心脏进行制造伤口、注射生物胶、紫外照射等一系列操作的示意图;图 b 为实际操作的视频截图。(来源:Nature Communications 论文)

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图 |猪心脏直径 6 毫米的伤口进行注射生物胶、紫外照射的手术视频,注射共 5 次。据洪逸介绍,前 4 次注射已经止血,用时少于 20 秒。(来源:洪逸)

在研究人员提供的手术操作视频中,对猪的心脏进行制造伤口、注射生物胶、紫外照射等一系列操作,从注射生物胶到止血整个过程不超过 20 秒,且无需再缝合。可以看出这个止血操作高效便捷,在注射凝胶后马上紫外照射会很快实现止血。

术后解剖发现,猪的心脏伤口密封完好,也没有观察到坏死和大的炎症,说明这种生物胶的生物相容性良好。

此外,这个生物胶易于降解大鼠实验中,7 天后植入物残留为 82.5 ± 5.5%,56 天后仅剩余 20.0 ± 5.0%。降解产物为氨基酸和糖类,能被人体吸收利用。

不过,这些研究只是体内有效性和安全性的初步验证。研究人员还会开展进一步临床前研究,以评估该水凝胶是否具有潜在的毒性,确保未来能够安全地用于人体。

一种理想的止血材料

那么,这个生物胶是如何发展而来的?为何需要紫外照射呢?距离临床还有多远的距离?以及是否方便用于常规止血呢?带着这些疑问,我们专访了论文的第一作者、浙江大学李达三·叶耀珍再生医学发展基金及干细胞与再生医学研究中心洪逸博士,同时他也是欧阳宏伟教授的博士后。

DeepTech:你们是如何想到这种止血材料的?

洪逸:我们研究组一直在尝试解读和模仿人体这本“天书”。在这个过程中,我们意识到人体就是一大块具有神奇力学性能的水凝胶,因此我们聚焦到了通过模仿人体组织的成分和结构来设计能够修补人体的胶水材料。同时,我们也意识到对于各种创伤处理,都需要快速封闭伤口和止血。

这就需要水凝胶材料同时满足 4 个条件:1. 快速成胶,防止被血流冲走;2. 有较强的湿面组织粘附力,能够有效地密封伤口;3. 合适的力学性能来承受血压和与周边组织的挤压和摩擦;4. 有较好的生物相容性。

让材料同时具备上述性能是一项巨大的挑战。因此,我们与华东理工大学的朱麟勇教授合作,通过化学修饰天然大分子材料主链,最终攻克了这项挑战。并且我们在最具挑战性的左心室穿透伤大出血情况下演示了材料的快速止血性能,这是目前其他临床止血产品都无法做到的。

DeepTech:这种新材料能够在紫外照射下迅速固化,这是什么机理?还有,在紫外照射下材料能够迅速粘合,这是不是为了更方便来控制止血的过程?

洪逸:在光照下,GelMA 上的双键在引发剂的作用下被打断,并迅速与附近其他 GelMA 分子链上断裂的双键发生化学键合,这形成了水凝胶材料的第一层交联网络;同时 HA-NB 分子链上的 NB 分子接收光子的能量产生了一个醛基,在水凝胶内部的光生醛基会与 GelMA 分子链上的氨基反应形成席夫碱,这形成了水凝胶材料的第二层交联网络。这两个反应是在光照下瞬间发生的,从而使我们的新材料能够在紫外照射下迅速固化并具备较强的力学性能。

光照激发是一种精准且方便的控制方式,医生在操作中可以精准控制粘合位置,避免不必要的粘合发生。同时,通过内镜上的光纤耦合,在各种复杂狭小的位置和微创手术中也都能方便使用我们的材料控制止血,这也是我们的材料的一大优势。

DeepTech:如果没有紫外照射,这个材料也会固化吗?

洪逸:这个材料是光激发,没有紫外照射的话材料是不会固化的,我们的材料设计立意就是一个非常精准的光控引发成胶系统。

DeepTech:论文中提到,GelMA 与 HA-NB 的比例接近人类结缔组织的胶原蛋白与糖胺聚糖的比例,这意味着什么呢?是为了提高组织相容性吗?

洪逸:有机生命体是大自然创造的材料宝库,具有很多人造材料都达不到独特性能。结缔组织是一种兼具强大力学和柔韧性的天然材料。模仿结缔组织的成分和比例一方面是为了提高组织相容性,另一方面是为了使我们的水凝胶材料获得较强的力学和韧性,能够承受住高的血压不被冲破,同时能适应心脏剧烈跳动不发生拉扯和断裂。

DeepTech:这个生物胶材料的突破有不少,这是不是你们的理想结果呢?

洪逸:这个材料能快速止住目前临床胶体产品无法控制的高压大出血,安全可降解,无不良反应,使用方便(目前临床大出血都靠结扎、缝合或加压包扎)。从综合性能上讲,我们的胶体目前是理想的止血策略,也是目前为止报道的胶体中,唯一能在猪这样的大动物活体止住心脏伤口射血,并且使其正常长期存活。

DeepTech:如果应用到临床,这种材料还需要哪些改进?在安全性研究方面还需要做哪些工作?

洪逸:目前的版本已经能够满足体内脏器的止血和伤口封闭需求,可以改进的方面是开发一些器械,来配合更好的给药和光照。在安全性方面,我们还需要研究材料在体内的代谢途径,验证其长期安全性。

DeepTech:如果这个材料用在普通伤口上,紫外照射是不是不太方便?还需要哪些方面完善吗?

洪逸:如果用在普通伤口上,紫外照射可以通过小手电样装置光触发而快速方便的使用。目前许多液体创可贴产品涂上后也需要干燥等过程,相比之下,我们的方式可以减少涂上材料后的等待时间。我们需要完善的就是设计微型化的一次性使用装置。

DeepTech:目前这个材料是否有了专利?对于下一步,有哪些商业化的考虑?

洪逸:这个材料已经申请了多项中国专利和国际专利。我们下一步计划将其转化为可临床医用的医疗器械产品来造福社会,降低因无法有效控制出血造成的死亡率以及血液制品的消耗量。

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参考:

坐标:北京·国贸

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