生物粘附粉末水凝胶的制备及其应用研究

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生物粘附水凝胶相比传统水凝胶,不仅拥有模拟细胞外基质的三维微环境、高生物相容性等特点,还可与组织建立强粘附。它在伤口促愈、封漏止血、组织修复、药物控释以及生物电子学等生物医学领域拥有广阔的应用前景。虽然粘附水凝胶发展迅速,但仍然有许多应用挑战和临床需求未被满足。例如,修复潮湿、动态环境中的损伤组织,粘附过程应该简单、直观、快速以及有效。所设计的材料应能够通过广泛被接受的临床程序使用,以便医疗工作者采纳。材料自身及作用过程应具有低细胞毒性以及小的炎症响应,避免对患者造成二次伤害。因此,开发出一种应用简便、粘附性能优异且生物功能性的水凝胶仍然具有挑战。本论文基于湿组织粘附机制,提出粉末策略,并开发了多种具有优异组织粘附性的功能性粘附粉末,具体分为以下几部分内容:1.生物粘附水凝胶对湿性组织具有强大的粘附力,是临床应用的理想材料。利用生物粘附粉末进行水引发自组装是一种可以迅速在湿、不规则的组织表面建立凝胶粘附的有效方法。然而,目前的生物粘附粉末缺乏积极的生物功能,易出现术后粘附。因此,本文提出了一种基于金属配体配位的粉末策略来制备一系列生物粘附聚丙烯酸(PAA)水凝胶。在水凝胶网络中,金属离子(Mn+)与PAA的羧基配体配位形成动态非共价交联。该粉末能可在几秒钟内吸收界面水,在不规则的组织表面上组装成水凝胶,初始附着依赖于静电相互作用。进一步地,聚合物可以扩散到组织基质中,并重构金属配体以增强粘附。此外,在粉制水凝胶上构建阳离子屏蔽层,可有效避免术后粘连。重要的是,Mn+可赋予水凝胶定制的生物功能。通过结合不同的Mn+,本文证明了水凝胶的止血、抗菌、类过氧化物酶催化(POD)和光剥离能力。这些优点使金属配位的生物粘附粉末成为各种组织修复应用的一个有前途的平台。2.类似于天然细胞外基质的粘附水凝胶在组织修复中得到了蓬勃发展。然而,传统的粘附水凝胶由于界面水的原因,不能快速粘附湿性组织。狭窄空间下动态组织的修复,受空间限制,材料难以到达和固定,也较难实现。在此,本文提出了一种混合粉末策略,可以达成快速而温和的湿组织粘附。混合干粉(HDPs)可吸收界面水并快速地彼此交联和组织粘附。结果表明,HDPs可以在几秒钟内粘附多种湿基质,包括组织和水凝胶,对猪皮的即时粘附强度可达30 k Pa。此外,HDPs可以方便的与其他水凝胶整合成Janus水凝胶,其可以及时、稳定地密封湿组织泄漏,对猪皮的即时密封压力超过250 mm Hg。为了模拟内部组织的修复,HDPs通过小管喷射到胃和肠的破损处,实现了渗漏的稳定封闭。总而言之,混合粉末策略对开发体内应用的快速粘附凝胶敷料具有启示意义。3.可生物降解是粘附水凝胶的一个重要属性,其完成使命后能够自动降解。然而,大多数的粘附水凝胶缺乏生物降解性。为了实现对动态的、狭窄区域内的湿组织的快速粘附,本文提出一种快速作用的可降解混合干粉(DHDPs)的制备策略,即两种带有相反聚电解质的可降解粉末吸水后可快速凝胶,并通过席夫碱反应与组织实现粘附。即时粘附强度测试发现,混合粉末策略不仅可以实现快速的湿组织粘附,也可显著增强凝胶的粘附稳定性及强度。相比于单一粉末,DHDPs的即时粘附强度最大可提升1220%。基于天然基可降解高分子和动态相互作用力的合理匹配制得的可降解粉末,30天后降解程度可达50%。此外,喷洒DHDPs方便用于大面积及体内湿表面修复。实验结果显示,DHDPs策略可行性,这为开发安全可靠的粘附水凝胶提供了一定的方向指导。
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