機器人技術(shù)、手術(shù)器械和體內(nèi)實時成像的進步使得將各種手術(shù)轉(zhuǎn)換為微創(chuàng)手術(shù)成為可能。然而，對于許多需要重新連接組織或連接假體材料的外科手術(shù)來說，目前還不存在微創(chuàng)手術(shù)方式?？p合是一種苛刻的技術(shù)，可能會因深刺而導致局部組織損傷。在某些情況下，傷口愈合后將其移除也會造成傷害。組織粘合劑有可能減少手術(shù)的危害，減少手術(shù)時間，改善手術(shù)效果。雖然已經(jīng)開發(fā)出有前景的方法，但用于傷口閉合的組織粘合劑現(xiàn)在主要與縫合線和縫合釘結(jié)合使用。長期以來，研究人員一直在尋找能夠承受人體環(huán)境的粘合劑。當它們又濕又滑時，很難將它們“粘合”在一起。水充當粘合劑和組織之間的邊界層，防止形成粘合。內(nèi)臟器官（如胃腸道和肺）表面的粘膜也可作為粘合劑的屏障。一些組織也會不斷改變形狀，例如跳動的心臟或呼吸隔膜，這使得粘合組織很難實現(xiàn)。實現(xiàn)粘合的一種方法是用官能團（如胺、羧酸和硫醇）對粘合劑進行化學改性。然后，肽偶聯(lián)反應(yīng)可以在改性粘合劑和組織蛋白質(zhì)之間形成強鍵。開發(fā)這種粘合劑的挑戰(zhàn)包括：在外科手術(shù)的時間窗口內(nèi)定時化學反應(yīng)；根據(jù)特定組織的化學性質(zhì)調(diào)整粘合劑的性質(zhì)；需防止未反應(yīng)殘留物、降解或反應(yīng)副產(chǎn)物引發(fā)的炎癥；并確保生成的粘合接點能夠承受拉伸。鑒于此，加拿大麥吉爾大學李劍宇、蘇黎世聯(lián)邦理工學院Outi Supponen等人介紹了一種超聲(ultrasound, US)介導的方法，以增強軟水凝膠在各種組織上的粘附性能。
示意圖
粘合接點的韌性以破壞它所需的能量為特征。粘合接點越能拉伸和吸收能量，就越難斷裂。拉伸降低了每單位面積的力，從而降低了粘合接點失效的可能性。增加韌性的一種有效方法是將聚合物鏈互鎖到基材中。這種設(shè)計原理利用了生物組織和水凝膠的粗糙度和相對滲透性，采用了一種稱為拓撲粘附的方法。該技術(shù)依賴于首先將聚合物鏈擴散到組織基底表面，然后通過操縱環(huán)境條件誘導聚合物鏈和基底之間形成強烈的鏈間相互作用。聚合物鏈的平均尺寸和濃度、對溶劑和底物的親和力以及聚合物鏈之間的相互作用都是實現(xiàn)有效互鎖的重要參數(shù)。例如，殼聚糖等對 pH 敏感的天然聚合物可在低 pH 時擴散到生物組織中，并在較高 pH 時形成強氫鍵。在這種方法中，水不再被認為是對粘附的阻礙，而是有助于促進聚合物擴散到組織中。盡管如此，組織內(nèi)聚合物鏈相對緩慢的擴散限制了粘附過程的速度。基于這些考慮，研究人員通過使用超聲波推動聚合物鏈更深更快地進入生物組織，提出了拓撲粘附概念。US介導的生物粘附分兩步實現(xiàn)。首先，研究人員使用超聲波換能器（20 kHz）將US應(yīng)用于涂抹在組織基質(zhì)（例如，新鮮切除的豬皮）上的錨定劑的底漆溶液或懸浮液。其次，研究人員用水凝膠貼片覆蓋治療區(qū)域，這會觸發(fā)界面錨定劑的凝膠化。作為一個模型系統(tǒng)，研究人員分別部署了殼聚糖溶液和聚丙烯酰胺-海藻酸鹽（PAAm-alg）水凝膠作為底漆溶液和水凝膠貼片。通過機理研究表明，超聲波通過產(chǎn)生空化微泡，推動引物分子進入組織，形成強大的機械互鎖。除了這種纏結(jié)，引物聚合物鏈還與周圍組織形成靜電、疏水或氫鍵。這種拓撲和物理親和力的結(jié)合導致水凝膠和組織之間的強粘附，而無需化學反應(yīng)。圖|超聲誘導的空化調(diào)節(jié)生物粘附通過剝離試驗測量了水凝膠與組織之間的粘附能。通過 US 處理，在豬皮膚上獲得的粘附能量約為 1750 J m-2，> 15 倍于非 US 對照。粘附能在一分鐘內(nèi)達到~100 J m-2，然后在 10 分鐘內(nèi)達到穩(wěn)定。錨定劑對于強生物粘附至關(guān)重要，因為僅用磷酸鹽緩沖鹽水代替它會產(chǎn)生較弱的生物粘附，即使使用US處理也是如此。粘附性能取決于水凝膠貼片和底漆溶液之間的 pH 值差異，但與組織基底上的血液暴露無關(guān)。研究人員還使用了類似于牙科診所使用的超聲波潔牙機（20 至 35 kHz），以通過US處理在豬皮膚上獲得堅韌的粘附力（~800 J m-2）。該策略適用于多種材料。US的附著力增強通過不同的水凝膠得到證實，包括雙網(wǎng)絡(luò)聚 (N-異丙基丙烯酰胺)-海藻酸鹽(PNIPAm-alg) 水凝膠和單網(wǎng)絡(luò) PAAm 水凝膠；粘附能的變化可能與水凝膠的整體韌性有關(guān)。除皮膚外，該策略還適用于其他生物組織，包括頰粘膜和主動脈。測得的頰黏膜黏附能約為 295 J m-2，主動脈約為 297 J m-2；非 US 條件的值分別為 ~12 和~17 J m-2。在剝離過程中，頰膜從下面的組織中剝離，證明了強生物粘附力，表明粘附力強。組織依賴性粘附性能可能與特定組織的力學和化學性質(zhì)有關(guān)。此外，研究人員在體內(nèi)用嚙齒動物模型驗證了 US 介導的生物粘附的安全性和有效性。US介導的生物粘附的多功能性及其在納米顆粒生物粘附中不可或缺的作用釋放了各種材料在強生物粘附方面的潛力。
利用超聲增強組織通透性的概念已成功應(yīng)用于藥物遞送系統(tǒng)，這可能使臨床轉(zhuǎn)化過程更快更容易。在目前的研究中，很明顯，組織之間的巨大差異導致粘附策略的有效性存在顯著差異。未來的研究應(yīng)側(cè)重于組織特異性粘合劑的開發(fā)。需要更好地了解不同組織（包括受損和患病組織）的機械特性和表面化學，因為這是最常使用粘合劑的地方。此外，特定的粘合劑需要與組織匹配，以便通過細胞或藥物輸送積極促進修復。通過這種方式，組織特異性生物活性粘合劑可以通過刺激患者身體使用自身系統(tǒng)重建細胞和重建組織和器官來幫助愈合過程。綜上所述，研究人員報告了超聲介導的生物粘附，以在空間和時間上精確控制水凝膠生物粘附。除了藥物洗脫水凝膠外，該策略還可以同時實現(xiàn)蛋白質(zhì)的強生物粘附和透皮遞送。該策略的普遍適用性有望在從可穿戴設(shè)備到藥物輸送等廣泛領(lǐng)域產(chǎn)生影響。1. Z. Ma et al., Controlled tough bioadhesion mediated by ultrasound. Science 377, 751 (2022).DOI: 10.1126/science.abn8699https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn86992.Ultra-sounding out a technique that sticks. Science 2022.DOI: 10.1126/science.abq7021https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7021
