术后粘连是腹部手术后常见的并发症，但目前临床产品治疗效果并不理想。在这里，蔡开勇/冯茜&陆军军医大学Bo Tang介绍了一种通过透析一步形成的水凝胶贴片。二甲基亚砜（DMSO）与水的交换促进了水凝胶内部疏水性聚集体的原位形成以及氢键的形成。得益于优化的成分比例和精确的结构设计，这种水凝胶贴片具有类似软组织的机械特性，包括高强度、高韧性、与腹壁相似的低模量、良好的抗疲劳性和快速自恢复特性。这种非膨胀型水凝胶贴片在生理盐水中浸泡7天后，仍能保持超过80%的原始机械性能，最大膨胀比为5.6%。此外，苯甲基异硫氰酸酯的疏水性多功能性可以在水凝胶贴片的溶胶-凝胶转变过程中自组装，使其能够通过协同抗菌、抗氧化和抗炎作用重塑炎症微环境。水凝胶贴片在大鼠侧壁缺陷-盲肠磨损模型中预防术后粘连，并优于领先的商业产品Interceed。考虑到FDA批准的原材料（聚乙烯醇和明胶）构成了这种有效水凝胶贴片的主体，它具有临床转化的有希望的潜力。该研究题为“Nonswellable Hydrogel Patch with Tissue-Mimetic Mechanical Characteristics
Remodeling In Vivo Microenvironment for Effective Adhesion Prevention”发表在《ACS Nano》
图1展示了水凝胶贴片在预防术后腹部粘连中的潜在应用。通过这种设计，水凝胶贴片能够在手术过程中简便地操作，并在植入后保持其完整性，同时通过其软组织的力学特性和抗膨胀性能，有效地隔离受损组织和器官，减少粘连形成。此外，水凝胶贴片在溶胶-凝胶转变过程中整合了多种生物功能性，如抗菌、抗氧化和抗炎作用，以重塑炎症微环境。这些特性使得水凝胶贴片在预防术后粘连方面显示出比现有商业产品Interceed更优越的性能，并具有临床转化的潜力。
图1. 水凝胶贴片防止术后腹部粘连的潜在应用的示意图【经疏水改性的PVA和明胶的水溶性以及水凝胶贴片的力学表征】图2通过比较改性前后的PVA和明胶的水溶性，发现疏水改性显著降低了它们的水溶性并促使形成类似凝胶的结构。一系列不同组分比例的水凝胶贴片展示了可调节的力学性能，包括强度、韧性和杨氏模量，且具有类似生物软组织的J形应力-应变曲线。特别是G3P7配方的水凝胶贴片，在模拟体内环境下展现了出色的抗疲劳性能和快速自恢复能力，即使在连续的拉伸-放松循环测试后，其力学性能仍能保持稳定。此外，G3P7水凝胶贴片在生理盐水中浸泡7天后，仍保持了超过80%的原始力学性能，表现出优异的抗膨胀特性。
图2. 经疏水改性的PVA和明胶的水溶性以及水凝胶贴片的力学表征图3评估了水凝胶贴片的抗膨胀性能及其微观结构变化。结果显示，所有样品在生理盐水中迅速达到膨胀平衡状态，其中G3P7水凝胶贴片表现出优异的抗膨胀特性，其最大膨胀比仅为5.6%，远低于其他水凝胶系统。经过168小时浸泡后，G3P7水凝胶的孔径分布变化不大，宏观图像也显示其体积变化极小。此外，即使在膨胀状态下，G3P7水凝胶的力学性能仍保持较高水平，其拉伸应力、杨氏模量和韧性分别保持了原始值的75.3%、81.25%和79.3%。这些结果表明，G3P7水凝胶贴片具有出色的抗膨胀性能和良好的力学稳定性，适合作为长期稳定的物理隔离层，用于预防术后组织粘连。
图4通过对抗三种代表性细菌菌株——大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的抗菌效果评估，研究发现含有Gel-BITC的水凝胶贴片能显著减少菌落形成，并且G3P7配方的水凝胶贴片在实验中未观察到三种微生物的菌落生长，显示出极高的杀菌效率，对E. coli和MRSA的杀灭效率超过99%，对S. aureus的杀灭效率超过94%。此外，通过光密度（OD）方法测量的结果显示，G3P7、G4P6和G5P5水凝胶贴片在24小时孵化期间对细菌生长的抑制效果显著，OD600值始终低于0.1。活/死染色的荧光图像进一步证实了水凝胶贴片的抗菌功能，几乎没有观察到红色（代表死亡）的荧光，表明G3P7水凝胶贴片能有效抑制细菌生长，减少术后感染风险，从而可能减轻由感染引起的粘连形成。
图5通过在L929和Raw264.7细胞系上进行细胞活性和增殖实验，使用CCK-8试剂盒和活/死染色，结果表明G0P10和G3P7水凝胶贴片与对照组相比具有可比的细胞相容性，而G4P6和G5P5由于Gel-BITC含量增加导致细胞活性降低。此外，通过体外溶血试验评估了水凝胶的血液相容性，发现G0P10和G3P7水凝胶贴片的溶血比率低于5%，符合国际标准，显示出良好的血液相容性。在ROS清除能力方面，使用DCFH-DA探针对H2O2刺激的L929和Raw264.7细胞进行染色，G3P7水凝胶贴片能显著降低细胞内ROS水平，并通过流式细胞仪分析进一步验证了这一点。同时，G3P7水凝胶贴片还能有效维持细胞内超氧化物歧化酶(SOD)活性，对抗由H2O2引起的氧化应激。这些结果表明，G3P7水凝胶贴片具有良好的生物相容性和抗氧化性，能够减轻氧化应激对细胞的损伤。
图6通过ELISA试剂盒检测了不同处理下LPS刺激的Raw264.7细胞系分泌的促炎细胞因子（TNF-α、IL-6和IL-1β）水平，发现G3P7水凝胶贴片能显著降低这些促炎细胞因子的释放，有效抑制了炎症反应。此外，通过免疫荧光染色和流式细胞分析技术，研究了水凝胶贴片对iNOS和COX-2（两种在炎症反应中上调的蛋白质）表达的影响，结果表明G3P7水凝胶贴片能显著减少iNOS和COX-2的表达。这些发现证实了G3P7水凝胶贴片具有显著的体外抗炎效果，能够通过调节炎症相关因子的表达来抑制炎症过程。
【水凝胶贴片对NF-κB信号通路和巨噬细胞极化的影响】图7通过免疫荧光染色图像和定量分析，研究发现LPS激活的Raw264.7细胞系在G3P7水凝胶贴片处理下，NF-κB(p65)的核转位现象显著减弱，表明G3P7能够有效抑制炎症条件下NF-κB信号通路的激活。此外，通过检测CD86（M1型巨噬细胞标志物）和CD206（M2型巨噬细胞标志物）的表达，结果表明G3P7水凝胶贴片能减少LPS刺激下Raw264.7细胞的M1型极化，但没有观察到CD206表达的上调，说明G3P7水凝胶贴片在体外条件下能够抑制促炎的M1型巨噬细胞极化，但并不能促进M2型抗炎巨噬细胞的极化。这些结论指出G3P7水凝胶贴片具有调节炎症微环境中巨噬细胞极化状态的潜力，有助于控制炎症反应。
图7. 水凝胶贴片对NF-κB信号通路和巨噬细胞极化的影响【使用大鼠侧腹壁缺陷-盲肠磨损粘连模型评估G3P7水凝胶贴片预防术后粘连的效果】图8通过在大鼠侧腹壁缺陷-盲肠磨损模型中进行实验，研究发现G3P7水凝胶贴片能显著减少术后粘连的形成。在术后7天和14天观察时，与对照组和Interceed组相比，G3P7组的粘连评分显著降低，表明其在预防粘连方面的效果优于商业产品Interceed。此外，G3P7水凝胶贴片处理的动物体重变化正常，主要器官的组织学检查也未发现异常，这表明G3P7水凝胶贴片具有良好的生物安全性。组织学评估（H&E染色和Masson三色染色）和扫描电镜（SEM）分析进一步证实了G3P7水凝胶贴片在促进受损腹壁和盲肠表面间皮层重建、减少纤维组织形成方面的效果。
图8. 使用大鼠侧腹壁缺陷-盲肠磨损粘连模型评估G3P7水凝胶贴片预防术后粘连的效果【不同处理组织中氧化应激、炎症反应和纤溶系统影响的体内效应】图9通过DHE染色观察活性氧(ROS)水平，发现G3P7水凝胶贴片处理的组织中ROS水平显著低于对照组和Interceed组，表明G3P7具有降低氧化应激的能力。免疫荧光染色针对炎症因子和蛋白的表达水平也显示，G3P7水凝胶贴片能显著减少这些分子的表达。此外，通过免疫荧光成像观察到，G3P7组在手术部位的炎症细胞（如巨噬细胞）浸润水平最低，且M1型巨噬细胞的表达也显著减少。同时，G3P7水凝胶贴片在维持纤溶系统平衡方面发挥作用，通过降低PAI-1的表达和提高tPA的表达，有助于预防粘连形成。
图9. 不同处理组织中氧化应激、炎症反应和纤溶系统影响的体内效应【G3P7水凝胶贴片对体内研究中巨噬细胞浸润和纤溶活性的影响】免疫荧光染色图像显示了在第7天和第14天，不同处理组（包括对照组、Interceed组和G3P7组）的组织切片中CD86和CD68的表达情况，以及相应的定量分析结果。G3P7组在降低巨噬细胞密度方面表现出最佳效果，表明其能有效减少手术部位的炎症细胞浸润。此外，G3P7组中M1型巨噬细胞的表达也显著降低，与体外实验结果一致，进一步证实了G3P7水凝胶贴片在调节炎症反应方面的潜力。同时，该图还评估了G3P7水凝胶贴片对纤溶系统的影响，通过免疫荧光染色检测了组织纤溶酶原激活剂（tPA）和纤溶酶抑制剂-1（PAI-1）的表达，结果显示G3P7组在维持纤溶系统活性方面具有优势，有助于防止粘连形成。这些结论指出G3P7水凝胶贴片不仅能有效减轻局部炎症反应，还能通过调节纤溶系统来促进术后恢复，降低粘连风险。
图10. G3P7水凝胶贴片对体内研究中巨噬细胞浸润和纤溶活性的影响该研究报告了一种具有非膨胀特性和组织模拟力学特性的水凝胶贴片，该贴片能够在体内重塑炎症微环境，有效预防术后粘连。这种水凝胶贴片由于其非膨胀性和类似组织的机械特性，能够在手术过程中方便操作，避免由于机械不匹配引起的潜在异物反应，并提供可靠的屏障功能。另一方面，将生物功能性（抗菌、抗氧化和抗炎）整合到水凝胶贴片中，在溶胶-凝胶转变过程中减轻炎症微环境，从而预防粘连形成并促进腹部恢复。与受欢迎的商业产品Interceed相比，该水凝胶贴片在经典的大鼠侧腹壁-盲肠磨损粘连模型中展现了更为有效和优越的预防术后粘连效果。值得注意的是，水凝胶贴片的骨架由FDA批准的生物聚合物（聚乙烯醇和明胶）构成，其制备工艺简单、直接且易于规模化。由于其纯粹的物理交联特性，水凝胶贴片消除了化学交联剂泄露的担忧。研究结果提供了一种减少术后粘连的有效策略，具有显著的临床转化价值。
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原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c02321
来源：BioMed科技
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