具有力学适配性的生物粘合剂研究及其组织创伤修复应用

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创伤修复是人类的永续需求,而实现伤口闭合或受损组织复位固定是创伤修复的先决条件。相比与其他创伤修复方式如缝合线、吻合器、贴片等,生物粘合剂具有操作便利、不造成二次组织损伤、广泛的伤口适应性等优势,是理想的创伤修复材料。生物粘合剂以液体形态附着在受损组织界面(界面黏附,adhesive),在外界环境刺激下固化形成结合作用(共黏附,cohesive),从而实现伤口闭合或组织复位固定。因此,在具备良好界面黏附的基础上,实现粘合剂与不同组织力学性能的完美适配,可减少材料和组织间力学性能差异而导致的炎症反应和应力集中等问题,被认为是最理想的共黏附形式。然而,人体组织种类多、力学性能差异大,目前尚未有力学性能可与不同软-硬组织适配的粘合剂产品或研究报道。有鉴于此,通过构建一种力学性能可调控与不同软-硬组织力学适配的粘合剂作为可用于多种创伤组织修复的手段,是本研究的主旨。本研究构建一类弹性模量调节范围广的生物粘合剂,并探索其与多种常见组织器官力学适配的可能性,然后在其中选出几种代表性组织作为研究用对象,系统评估这种力学适配性粘合剂对创伤组织的固定及伤口闭合、修复效果。(一)力学性能可与多种组织适配的新型生物粘合剂构建本研究选择聚氨酯这种力学性能可调节的生物材料作为粘合剂研究对象,通过开发不同聚氨酯预聚物的合成以及新型固化剂的,构建力学性能可控、快速固化的双组分聚氨酯粘合剂,并考察其理化性能、力学性能和生物安全性。(1)合成基于不同链长聚乙二醇(PEG)、交联度的脂肪族和芳香族聚氨酯预聚物,以及不同链刚性的仲胺酯固化剂,固化时间可以在数十秒到数分钟可控调节;(2)将不同聚氨酯预聚物和仲胺酯结合,可实现粘合剂弹性模量从8.1 k Pa-0.66 GPa的可控调节,并达成与人体多种软-硬组织的力学性能匹配。此外不同聚氨酯粘合剂还影响其成胶后热力学、溶胀行为及微观结构等性能。这种双组分聚氨酯粘合剂具有低细胞毒性,因此可用于组织的粘合。(二)力学适配性粘合剂在不同软/硬组织的应用研究选择4种力学性能不同的软硬组织:肺部、肠道、皮肤和骨作为对象,通过体外模拟和与商用粘合剂对比,从粘合强度、湿环境黏附性能、黏附疲劳性能和黏附界面等角度,系统评估与组织力学匹配的粘合剂对不同组织的粘合效果。结果发现其在肺部粘合方面具有比商用PEG类肺胶更大的粘合强度和黏附能,肠道粘合方面具有比缝合线更好的封堵效果,皮肤粘合方面表现出比商用α氰基丙烯酸酯医用胶更出色的柔韧性,骨粘合方面具有比商用骨水泥具有更强粘合强度。更重要的是这种力学适配性粘合剂,在与不同组织粘合方面,均具有良好的黏附疲劳性能;这一点对处于不断运作、力学环境复杂的组织而言具有十分重要的意义。体内研究发现,力学适配性聚氨酯粘合剂可实现巴马猪肺部漏气伤口的持续可靠封堵,避免“气胸”现象;实现全贯穿巴马猪肠道泄露的有效封堵,避免肠道术后粘连;实现巴马猪背部皮肤全贯穿伤口的粘合,具更快的伤口愈合效果;实现山羊大腿胫骨小段缺损的承重和运动能力的恢复,固定成功率是商用骨水泥的2倍。总而言之,本研究通过构建可与多种组织力学适配的粘合剂,并从粘合强度、黏附疲劳等角度阐明其与不同组织的体内外粘合规律,为发展可用于人体不同组织器官损伤修复材料提供理论参考。
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