術(shù)后粘連是腹部或盆腔手術(shù)最常的并發(fā)癥，93%接受開腹盆腔手術(shù)的患者會出現(xiàn)這種病變。術(shù)后粘連會顯著提高嚴重并發(fā)癥的發(fā)病率，如急性腸梗阻、腸穿孔、慢性盆腔疼痛、女性不孕、泌尿系統(tǒng)功能障礙等等。粘連是附著在分離器官或腹內(nèi)壁上的纖維帶，它的形成涉及一系列的生理生化過程，例如愈合、纖維蛋白溶解I、炎癥和血管生成。水凝膠獨特的機械和生物性能在防止細胞粘附、浸潤和粘連形成上具有廣泛的應(yīng)用前景。

Nanoengineered Shear-Thinning Hydrogel Barrier for Preventing Postoperative Abdominal Adhesions

Guillermo U. Ruiz-Esparza, Xichi Wang, Xingcai Zhang, Sofia Jimenez-Vazquez, Liliana Diaz-Gomez, Anne-Marie Lavoie, Samson Afewerki, Andres A. Fuentes-Baldemar, Roberto Parra-Saldivar, Nan Jiang, Nasim Annabi, Bahram Saleh, Ali K. Yetisen, Amir Sheikhi, Thomas H. Jozefiak, Su Ryon Shin, Nianguo Dong, Ali Khademhosseini*

Nano-Micro Letters (2021)13: 212

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00712-5?

本文亮點

1.?開發(fā)了一種基于硅酸鹽納米顆粒和聚氧化乙烯的新型“納米工程水凝膠”屏障(STHB)，以防止術(shù)后粘連的形成。

2.?與其他水凝膠系統(tǒng)相比，本文所制備的“納米工程水凝膠”既可注射又可噴霧，這使其方便用于微創(chuàng)修復(fù)。

內(nèi)容簡介

哈佛醫(yī)學(xué)院的Ali Khademhosseini課題組開發(fā)了一種由硅酸鹽納米顆粒(SNP)和聚氧化乙烯(PEO)組成的可注射和可噴霧的剪切稀化水凝膠屏障(STHB)，通過其獨特的機械與物理性能防止術(shù)后粘連的形成。STHB在剪切應(yīng)力下為液體狀態(tài)，在遞送后撤銷所受剪切應(yīng)力時恢復(fù)原始粘彈性固態(tài)，使其能夠通過注射和噴霧的方式進行輸送。體外研究表明，STHB可以顯著減少成纖維細胞和巨噬細胞的粘附，細胞毒性低。此外，與市售防粘連產(chǎn)品相比，STHB在大鼠腹膜損傷模型的體內(nèi)研究當(dāng)中，顯示出更低粘連指數(shù)評分，甚至沒有粘連形成，說明STHB有效地防止了術(shù)后粘連的形成。同時，免疫組化分析顯示免疫細胞浸潤的減少，說明STHB具有良好的生物相容性。

圖文導(dǎo)讀

I?STHB的剪切稀化性能表征

改變不同濃度的SNP(5, 8, 10 wt%)，來調(diào)整STHB的剪切稀化性能(圖1a)。在剪切速率較低時，與5L3P和8L3P相比，10L3P組合顯示更高的粘度(~ 727 Pa s)，隨著剪切速率增加，它們的粘度都降低，說明STHB的剪切稀化特性(圖1b)。確定STHBs的線性粘彈性區(qū)域(LVR)為[0.001-10 strain (%) at 1 Hz]，儲能模量G'的平臺表明STHB在變形時轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀(圖1c)。Tan (δ)與應(yīng) 力(strain)的關(guān)系確定彈性到粘性的轉(zhuǎn)變點[tan(δ)=1]在~10 strain (%)處(圖1d)。1 Hz的低(1%)和高(100%)strains的多個G'循環(huán)，證明STHB可自我恢復(fù)到其原始模量(圖1e)。

圖1.?不同SNP配比的STHB的流變特性。(a) 不同SNP配比的STHB配方；(b) 粘度與剪切速率的關(guān)系；(c) 應(yīng)變(strain)與儲能模量(G')的關(guān)系；(d) Tan(δ)與strain(%)的關(guān)系；(e) 在低(1%)和高(100%)strain的多個循環(huán)期間記錄的G'。

II?STHB的可注射與可噴霧性能研究

STHB的可注射性能評估裝置(圖2a)。測試推注水凝膠所需的力(Force)隨著時間呈線性增加，直到達到最大推注力平臺(圖2b)。測試評估了不同針尖直徑注射器(18G, 23G, 27G)所需的注射力與不同SNP配比的關(guān)系，增加S N P的濃度和減少針尖直徑會導(dǎo)致所需的注射力增加(圖2c)。配備22G噴嘴的噴霧裝置用來評估STHB的可噴霧性能(圖2d-e)。在20 cm噴射距離下，不同SNP 配比的STHB噴霧總覆蓋面積。隨著SNP濃度增加，噴霧總覆蓋面積減少(圖2f)。捕獲并量化噴霧覆蓋的面積和平均斑點面積，SNP濃度增加會增加平均斑點面積(圖2g-h)。

圖2.?STHB的可注射與可噴霧性能評估。(a) STHB的可注射性能評估裝置；(b) 測量推注水凝膠所需的力(Force)以確定最大注射力平臺，單位: 牛頓(N)；(c) 不同針尖直徑注射器和不同SNP的濃度所需的最大推注力;(d) STHB的噴霧裝置；(e) STHB的噴霧裝置的噴射參數(shù)；(f) 在距離20 cm，噴射5 mL STHB后測量總噴霧面積；(g) 在距離20 cm處，噴射0.1 mL STHB后捕獲并量化STHB的斑點分布；(h) 不同SNP濃度的STHB噴 霧后的平均斑點面積。

III?STHB體外防止細胞粘連和細胞活力評估

為了評估細胞粘附，將3T3細胞接種在適合細胞粘附的聚四氟乙烯(PTFE)涂層基底上(陽性對照)，并與接種在STHB表面上的細 胞進行比較(圖3a)。24小時后，相對熒光值顯示出不同SNP濃度組(5L, 8L, 10L)和對照組的細胞數(shù)量相似，加入PEO后(5L3P, 8L3P, 10L3P)，細胞的數(shù)量均減少(圖3b)。通過F-肌動蛋白熒光標記進行3T3細胞的單細胞分析(縱橫比和形態(tài))。熒光照片顯示 接種在PTFE對照和僅有SNP(5L, 8L, 10L)的STHB，細胞具有正常的細胞粘附和偽足擴展。相比之下，當(dāng)細胞接種在含有3 wt% PEO (5L3P, 8L3P, 10L3P)的STHB上時，細胞形態(tài)是球形的，因為細胞無法附著在水凝膠表面(圖3c)。量化單個3T3細胞的縱橫比以了解細胞粘附和擴增。對照組和僅含SNP組中的細胞呈現(xiàn)出一組不同的縱橫比，因為單個附著的細胞通常由于獨特的偽足擴張而形狀不同(圖3d)。

圖3. STHB的體外防止細胞粘連評估。(a) 測試接種在STHB表面的3T3成纖維細胞的粘附和形態(tài)特征的示意圖；(b) 通過使用相對熒光單位來評估3T3細胞的細胞活力；(c) 不同方式處理后3T3細胞的細胞形態(tài)特征的代表性熒光照片；(d) 量化(c)中3T3細胞的細胞面積和縱橫比來分析細胞形態(tài)。

IV?STHB體內(nèi)預(yù)防術(shù)后粘連的形成

為了研究STHB在體內(nèi)預(yù)防術(shù)后粘連的形成，使用了八個缺血腹膜的腹膜損傷大鼠模型(圖4a)。腹膜粘連指數(shù)(PAI)用作評分系統(tǒng)，根據(jù)血管化、厚度、強度和損傷等幾種形態(tài)特征對粘連進行分級(圖4b)。測試分成五組，分別為：1) control組；2) 商品化Seprafilm?組；3) 5L3P組；4) 8L3P組；5) 10L3P組?？梢杂^察到手術(shù)產(chǎn)生的腹膜缺血(圖4c)。在給藥過程中，STHBs形成了堅固的涂層，能夠正確粘附并保留在組織中。14天后處死動物，分析組織。在control組中，發(fā)現(xiàn)粘連附著在缺血部位及其周圍。Seprafilm?、5L3P和8L3P組具有較低的粘連等級，而10L3P組沒有出現(xiàn)任何可觀察到的粘連(圖4d)。隨后，對各組的8個缺血部位的粘連形成進行評分(圖4e)，對8個缺血部位的粘連形成百分比(每個部位占比12.5%)進行評估(圖4f)，最后計算4個實驗組中減少的粘連形成百分比與control組的粘連形成百分比進行比較(圖4g)。表明具有較高機械強度的STHB呈現(xiàn)較少的粘連形成，其中強度最高的STHB (10L3P)提供了有效的屏障來抑制細胞浸潤和纖維化粘連的形成。

圖4. STHB的體內(nèi)預(yù)防術(shù)后粘連評估。(a) 大鼠腹膜粘連模型構(gòu)建的示意圖；(b) 腹膜粘連指數(shù)(PAI)用于對術(shù)后粘連形成進行分級；(c) 各組在腹膜缺血部位上遞送，黑色箭頭表示缺血部位和藥物遞送部位；(d) 14天后，重新打開切口觀察粘連形成，黑色箭頭表示術(shù)后粘連；(e) 使用PAI評分系統(tǒng)來計算平均粘連評分；(f) 每只大鼠8個缺血部位的粘連形成(%)；(g) 4個實驗組減少的粘連(%)與control組形成的粘連(%)的比較。各實驗組的老鼠只數(shù)n=5。

作者簡介

Ali Khademhosseini

本文通訊作者

前哈佛大學(xué)/麻省理工學(xué)院/加州大學(xué)洛杉磯分校教授

Terasaki研究所CEO

▍主要研究領(lǐng)域

利用微米級和納米級技術(shù)為器官衰竭、心血管疾病和癌癥提供一系列療法。

▍主要研究成果

美國醫(yī)學(xué)與生物工程學(xué)會(AIMBE)、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(BMES)、英國皇家化學(xué)學(xué)會(RSC)、生物材料科學(xué)與工程(FBSE)、材料研究學(xué)會(MRS)、NANOSMAT學(xué)會和美國科學(xué)促進會(AAAS)的會士，國際醫(yī)學(xué)和生物工程學(xué)院、加拿大皇家學(xué)會和加拿大工程院的成員。擔(dān)任ACS Nano副主編，Small、RSC Advances、Advanced Healthcare Materials、Biomaterials Science等期刊編委。

▍Email:?khademh@terasaki.org

撰稿：《納微快報(英文)》編輯部

編輯：《納微快報(英文)》編輯部

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