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趙強/葉曉峰/游正偉合作再發(fā)《自然·通訊》：自修復(fù)聚氨酯彈性體，用于體內(nèi)多種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

2021-07-23 14:48:24 作者：高分子科學(xué)前沿來源：高分子科學(xué)前沿分享至：

自愈合材料是一種智能高分子材料，通過重構(gòu)分子結(jié)構(gòu)，使斷裂部位從斷裂形態(tài)到完整形態(tài)，實現(xiàn)斷裂部位間的相互愈合，在生物醫(yī)學(xué)中顯示出了巨大的潛力，避免了手術(shù)縫合的過程。具有生物相容性和生物可降解性的自愈合彈性體（SHEs）由于其在軟組織中的仿生力學(xué)性能和良好的彈性，能夠適應(yīng)體內(nèi)動態(tài)環(huán)境，具有巨大的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力，如心臟輔助裝置和醫(yī)用導(dǎo)管。這類彈性體的開發(fā)和在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用是科學(xué)家們研究的熱點問題。

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院的趙強教授、葉曉峰主任醫(yī)師及東華大學(xué)游正偉教授合作，設(shè)計了具有可降解和生物相容性的自愈合彈性體（SHEs），并將其應(yīng)用于各種疾病的活體內(nèi)模型，以測試其在多種組織和生理條件下的修復(fù)潛力。研究結(jié)果以“Self-healing polyurethane-elastomer with mechanical tunability for multiple biomedical applications in vivo”為題發(fā)表在《Nature Communications》。

縫合需要長期的訓(xùn)練，是一項費時、重復(fù)的工作，降低了手術(shù)的效率。微創(chuàng)手術(shù)的快速發(fā)展使得在狹窄的手術(shù)領(lǐng)域內(nèi)縫合更為困難。具有獨特性能的自愈材料的出現(xiàn)避免了手術(shù)縫合的過程，實現(xiàn)了手術(shù)過程中材料的實時成型，大大簡化了手術(shù)過程，特別是在內(nèi)鏡手術(shù)、顱內(nèi)手術(shù)等特定情況下，提高手術(shù)效率，減少手術(shù)對鄰近組織的創(chuàng)傷。然而自愈合材料有限的生物降解性和機械性能阻礙了它們在體內(nèi)的應(yīng)用。作者設(shè)計了一種基于動態(tài)二甲基乙二肟聚氨酯基的新型自主自愈合彈性體（SHEs），肟基聚氨酯鍵起關(guān)鍵作用。這些SHEs表現(xiàn)出機械可調(diào)性、生物相容性和生物降解性，并在治療某些臨床疾病（如動脈瘤、周圍神經(jīng)截肢和骨固定術(shù)）方面表現(xiàn)出高效率，它們在生理條件下具有良好的自愈合能力（圖1）。

圖1:SHEs的化學(xué)結(jié)構(gòu)式、可調(diào)節(jié)的力學(xué)和自愈合性能以及在體內(nèi)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的模式圖。

SHEs的抗拉強度范圍為33 kPa ~ 4.383 MPa，楊氏模量范圍為172 kPa ~ 3.724 MPa，斷裂伸長率范圍為506% ~ 3295%。在無外界刺激的情況下，將SHEs切片切成兩段，在室溫下重新連接5min，測試自愈合性能。愈合后的SHEs表現(xiàn)出了足夠的力學(xué)性能，可用于不同的體內(nèi)實驗場景。為了證明SHEs的彈性，作者進行了應(yīng)變?yōu)?0%的循環(huán)拉伸試驗，隨著交聯(lián)度的增加，機械強度的降低量逐漸減少，松弛30min后恢復(fù)強度逐漸增加。所有的SHEs在含有CE的PBS中表現(xiàn)出可生物降解性，在37℃下，活性為300 U mL-1, 9天內(nèi)全部SHEs的質(zhì)量損失約7%。在C57BL/6小鼠皮下植入后，交聯(lián)的SHEs（0.2-2）在植入后第35天仍保持原來的形狀，掃描電鏡顯示其表面有微孔，這意味著在體內(nèi)降解。植入后第35天肝腎功能沒有改變確定了SHEs的安全性。

作者通過三種手術(shù)疾病模型，包括動脈瘤、神經(jīng)結(jié)合和胸骨固定，展示自愈材料帶來的手術(shù)過程變化。作者選擇PPE體外應(yīng)用建立與人動脈瘤病理變化相似的動脈瘤模型。彈性蛋白降解指數(shù)的降低和eNOS表達的增加表明，SHE包裹糾正和改善了動脈瘤的血流動力學(xué)。SHEs外包還可以減輕動脈瘤內(nèi)血管平滑肌細胞的炎癥和凋亡，SHE包皮對已建立的主動脈瘤的限制效率是令人滿意的。由于其自愈特性，SHEs可以在手術(shù)過程中根據(jù)血管的形狀和分支分布實時塑造成完整的結(jié)構(gòu)。使用SHEs可以避免手術(shù)縫合過程，一些外科包裹術(shù)，特別是內(nèi)鏡手術(shù)或顱內(nèi)手術(shù)，可以大大簡化，提高手術(shù)效率，減少手術(shù)對鄰近組織的創(chuàng)傷。在神經(jīng)接合實驗表明，與縫合接合時間相比，使用SHE進行神經(jīng)接合所需時間大大縮短3/4，達到快速接合的目的。圖2顯示了使用SHE2固定大鼠胸骨的手術(shù)過程。固定后第6周，對大鼠進行x線成像，顯示各組胸骨愈合相關(guān)的高密度陰影，皮質(zhì)骨相對完整。作者也對大體格的豬進行了測試。根據(jù)術(shù)后即時螺旋x線成像，豬胸骨被SHE固定，骨折邊緣也對齊。

圖5:胸骨彈性體固定模式圖，固定手術(shù)方式，胸骨HE和Masson三色染色，豬胸骨脊柱x線想像。

綜上，作者設(shè)計了SHEs并將材料的自愈合特性用于活體內(nèi)實驗。基于獨特的雜化動態(tài)肟脲烷共價鍵和氫鍵的SHEs是第一個生物相容和生物降解的SHEs。通過控制交聯(lián)程度，可以調(diào)整SHEs的力學(xué)性能。在體內(nèi)為不同類型的組織（軟組織和硬組織）應(yīng)用中，SHEs充分地利用了自愈的特性，解決了一些臨床疾病的關(guān)鍵問題。這項研究激發(fā)了自愈材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，并加速自愈材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實際的應(yīng)用。

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