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黑科技 | 神奇胶水,修补破碎的心

撰文 |  周   炜 图片 | 课题组 责编 | 周   炜
深夜11点,上海儿童医学中心,一台小儿心脏手术已持续超过7个小时。心胸外科大夫陈会文此时已经很累了。下了手术台,他靠着墙,给一位浙大教授发去一条信息:
 
 “欧阳兄,盼望您的神药,今天手术,止血到现在。”
 
止血,医护人员花了整整4个小时。“ 这个过程很是煎熬,”陈会文想起在一次会议时听说过的神奇胶水——
 
来自浙江大学的欧阳宏伟教授说,他的团队发明了一种新型水凝胶,能够有力粘附于湿润器官组织表面,在光的控制下迅速成胶,快速修补动脉、心脏等创口,并耐受住血液流动或心脏收缩时产生的压力。
 
 
神奇“胶水”目前已在猪等大型动物上证实了有效性。“ 欧阳当时给我看过一段实验视频,让我眼前一亮。”陈会文说。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。
 
在湿滑的表面,牢牢粘附
 
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。”
 
 
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)。
 
成功了!猪心破裂修复实验
 
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。
 
 
 “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。
 
万能的生物“胶水”?
 
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
 
文章转载自“求是风采”微信公众号
 
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