研究简介
2024年，由中山大学附属口腔医院许跃组在《Advanced Materials》杂志上发表了题为“In Situ Rapid-Formation Sprayable Hydrogels for Challenging Tissue Injury Management”的研究论文。本研究成功设计了一种多功能水凝胶系统，该系统能够快速凝胶化并实现原位喷涂，解决了与止血、屏障建立、支撑以及不规则、复杂和紧急受伤组织的后续治疗相关的临床挑战。这种水凝胶在紫外光引发下能够迅速形成，前体保持了0.018 Pa s的低粘度，而水凝胶展示了0.65 MPa的储能模量，实现了喷涂流动性和实际应用中机械强度要求之间的微妙平衡。值得注意的是，这种水凝胶的组分与细胞表面蛋白之间的相互作用赋予了其固有的生物活性功能，如成骨、抗炎和血管生成。本研究为紧急管理和复杂组织损伤治疗提供了新的见解和设计。
图文赏析
本研究中，研究人员开发了一种新型的可喷涂水凝胶系统，该系统能够在不到0.5秒的时间内快速形成凝胶，并且具有出色的喷涂流动性和机械强度。这种水凝胶的快速形成能力是通过硫-烯光引发反应实现的，其中富含电子的烯烃基团和自由基引发的级联放大效应保证了快速的聚合速度，从而加速了凝胶化过程。此外，通过紫外光照射，还可以增强甲基丙烯酸酯基团的交联，进一步促进了凝胶化过程。
研究人员通过一系列实验验证了水凝胶的快速形成能力，包括使用数字计时器和流变仪来测定凝胶化时间。实验结果表明，HMN/TP水凝胶在0.5秒内即可形成稳定的凝胶，并且其储能模量在5秒内即可达到最大值的约80%。此外，通过核磁共振（NMR）分析，研究人员还研究了在紫外光照射下，水凝胶系统中甲基丙烯酸酯、降冰片烯和硫醇基团的比例变化，证实了快速凝胶化过程中化学键的消耗。
在喷涂、注射和自愈合性能方面，HMN/TP水凝胶展示了出色的喷涂能力和注射性，这使得其能够方便地喷涂在大面积、复杂的损伤区域，并在紫外光照射后迅速形成稳定的凝胶膜。此外，水凝胶的剪切变稀特性有助于提高喷涂或注射应用中的高流动性。通过循环应变时间扫描和频率扫描流变学分析，研究人员还评估了水凝胶的自愈合能力，发现在紫外光照射下，受损的水凝胶能够迅速自我修复，形成统一的整体。
在生物相容性和生物降解性方面，HMN/TP水凝胶显示出良好的生物相容性，其组分在细胞培养中未显示出显著的细胞毒性。研究人员还评估了水凝胶在透明质酸酶介质中的降解行为，发现水凝胶在5天内可以完全降解。此外，通过在大鼠模型中皮下植入水凝胶，研究人员监测了水凝胶的体内降解行为，并使用苏木精-伊红和Masson三色染色对植入部位周围的组织进行了组织学评估，证实了水凝胶的生物相容性和对宿主组织的影响。
在生物活性方面，研究人员探索了HMN/TP水凝胶系统的固有生物活性，发现TP是水凝胶系统中发挥生物活性的主要组分。通过全转录组分析，研究人员揭示了TP与细胞表面蛋白ITGA6的相互作用，这一相互作用通过激活MAPK信号通路，促进了成骨、抗炎和血管生成等生物学过程。此外，研究人员还通过分子对接分析，探讨了TP与ITGA6整合素之间的潜在结合模式，证实了TP分子与ITGA6整合素复合物之间的强结合能力。
在体内应用评估方面，研究人员建立了颅骨缺损和全层皮肤缺损动物模型，以研究HMN/TP水凝胶在体内对软组织和硬组织损伤的治疗效果。结果显示，HMN/TP水凝胶能够显著促进颅骨缺损的修复，并在皮肤缺损模型中显示出良好的屏障保护和炎症抑制功能。此外，研究人员还评估了HMN/TP水凝胶的止血功能，发现其在动物模型中具有出色的即时止血效果。
总之，本研究开发的HMN/TP水凝胶系统在快速凝胶化、喷涂流动性、机械强度、生物相容性、生物降解性以及生物活性方面均表现出色，为紧急管理和复杂组织损伤治疗提供了一种新的策略。研究人员相信，这种水凝胶系统有望在不久的将来在临床实践中得到应用，解决临床设置中一直困扰的治疗难题。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202400310
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