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无需缝合!神奇胶水可快速修补破碎心脏

时间: 2019年05月16日 | 作者: 周炜 | 来源: 浙江大学学术委员会
浙江大学欧阳宏伟团队发明了一种新型水凝胶,能够快速修补动脉、心脏等创口。



神奇“胶水”目前已在猪等大型动物上证实了有效性。5月14日,相关论文A strongly adhesive hemostatic hydrogel for the repair of arterial and heart bleeds在《自然通讯》杂志发表。第一作者为浙大基础医学院博士后洪逸。


中科院院士刘昌盛认为,这一研究完美地解决了医用组织胶水在动态、湿性、大出血组织截面处的止血和封闭问题,并且操作便捷,会受到临床医生们的青睐。


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功能化的即时止血和封闭伤口是临床上一个巨大的需求。“如果能设计出一种‘胶水’,让医生告别缝线,伤口极速愈合,出血带来的风险就会大大降低。”4年前,欧阳宏伟开始了一项“阅读天书”计划,他说,人体就是一本丰富而精妙的材料学“天书”,蕴含着许多生物材料的设计思路。


补心“胶水”是一种新型水凝胶。这正是“天书”给研究人员最初的提示。“我们的皮肤、肌腱、软骨等都可以看做是不同成分和配比的水凝胶。”欧阳宏伟认为,可以模仿细胞外基质来做一种具有修复功能的水凝胶。其中最大的挑战在于——界面,它要修补的界面是湿的。


湿,是普通胶水的“克星”。我们都有在墙上粘一个不干胶挂钩的经验,要保证挂钩粘得牢固,墙面必须干燥无尘。墙面有水,挂钩就粘不住。“而人体环境湿的。”欧阳宏伟说,“尤其是血管破裂处,流动的血液冲击伤口,普通的‘胶水’还没粘碰上可能就被冲走。”


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图:双交联网络和湿面粘附原理示意图


研究团队设计出一种全新的水凝胶Matrix Gel,它的主要成分为明胶(GelMa)和光板机分子修饰的透明质酸(HA-NB),对光敏感。只要光“一声令下”,这种材料就迅速进入成胶阶段,长出两层网络结构,从流动的液态变相为固态:首先是明胶上的双键自行交联,产生第一层网络;同时,HA-NB的醛基与明胶上的氨基酸产生交联,形成第二层网络。“双层网络极大的提升了材料的力学性能,变得更抗压。” 洪逸说,更令人惊喜的是,HA-NB的光生醛基还能与组织界面的氨基反应,形成共价键,“醛基就像胶水伸出的一双手,牢牢地抓住组织表面。”


这一创造性的设计,让“胶水”就能在活动的、湿面的组织上应付自如。实验表明,补心“胶水”的粘附力可以抵抗290mmHg的压力,远高于常规收缩血压( 60–160mmHg)。


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猪的心脏大小与结构与人的心脏最为接近,跳动心脏大出血是目前最难止的血。研究人员在猪搏动的心脏上穿了一个6毫米直径的孔,鲜血喷溅而出。这时,研究人员在伤口挤入Matrix Gel,再用一束紫外光进行照射,几秒钟之内,血止住了。


在无需缝合的状态下,创口得到了完美闭合,术后,研究小组对参与实验的猪进行了为期两周的恢复期检测,均未发现手术导致的任何异常。


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图:心脏止血过程实拍


 “从动物实验的角度来说,这是心脏外科止血的一次革新。”陈会文用“震撼”两字描述他看到实验视频的印象。在此之前,研究团队已经在猪肝脏大面积出血,猪颈动脉破裂等情况下测试Matrix Gel的性能,均显示了良好的修补性能。“于是我们想试试,对于难度最大的心脏破裂,Matrix Gel的能力如何。”欧阳宏伟说。 


除了湿面修补这一挑战外,新型的水凝胶还体现了一定的强度。这种胶水能抵抗血液压力和心脏跳动的收缩压,同时,受紫外光控制的成胶过程,也让修补过程变得易于操控。



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在许多外科手术中,术后止血工作繁琐而艰巨,也是手术风险的敏感环节。 “在临床上,我们用来止血的药物、材料有10多种,速度较慢。对于动脉和主要脏器大出血没有有效的快速止血手段。很多时候我们能做的只有等待。希望这项技术能够早日走向临床,解决我们外科手术普遍的难题。”陈会文说。 


“不仅仅是修补血管、心脏,外科医生在很多情况下都在‘补漏’,他们需要趁手的材料。”欧阳宏伟说,Matrix Gel是通过对FDA认证的天然蛋白和多糖进行改性而来,具有很好的生物相容性。“它有可能用于其他很多组织修复。”洪逸认为,由于这种材料方便注射,这为体外进行内组织修复提供了可能。


“下一步,我们研发出强度更好,也更便于操控的胶水。”欧阳宏伟说。陈会文则对这一材料走向临床满怀期待:动物实验的结果应用到临床还有较长的道路,比如这种凝胶与人体其他组织的相容性、在血肉模糊的外科手术视野下是否有同样的效果、凝胶的安全性等。“期待尽快开展临床相关研究,真正做到止血‘无痕’”。



论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10004-7