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  近年來，水凝膠材料與生物組織的強韌粘接技術受到廣泛關注。然而，對于新開發(fā)的水凝膠粘接劑和粘接技術，能否用于實際臨床手術環(huán)境非常關鍵。如何將水凝膠應用于外科手術，進而研究水凝膠在生物體內的反應，改進水凝膠的材料設計，成為當下研究的熱點。

  近日，西安交通大學第一附屬醫(yī)院呂毅教授、航天航空學院唐敬達副教授以及哈佛大學鎖志剛教授等人，提出磁輔助-水凝膠粘接方法，成功應用于大動物的肝移植手術中, 術后動物恢復良好，血管完全愈合。研究成果以Adhesive anastomosis for organ transplantation為題發(fā)表在生物醫(yī)學領域頂級期刊《Bioactive Materials》（影響因子14.593）。

血管縫合法與“磁輔助-水凝膠粘接”血管吻合法

  血管吻合技術從Alexis Carrel發(fā)明“三點式”血管縫合法后（1912年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎），至今已超過100年的歷史。血管縫合法具有許多優(yōu)勢，但是操作復雜、縫合時間長。肝移植過程中，需要吻合三根大血管，吻合過程中下肢血液無法經肝臟回流到心臟，稱為“無肝期”，無肝期越長，患者愈后越差。對于“爭分奪秒”的肝臟移植手術來講，傳統(tǒng)“一針一線”式的手工縫合法顯然無法滿足醫(yī)生和患者的需求，亟需一種新型的血管吻合技術。

  本工作使用強韌可降解水凝膠粘接技術，用于器官移植過程中的血管吻合。血管外翻后，該粘接技術作用于血管內皮以保證血管重建。初始階段借助于兩端血管磁環(huán)相互作用，使血流在短時間恢復流動；水凝膠粘接逐漸與血管內皮形成強共價鍵。撤去磁環(huán)后，水凝膠粘接維持正常血壓。隨著血管內皮的再生，水凝膠逐漸降解并最終完成血管重建（圖1）。

圖1. 傳統(tǒng)血管縫合法與“磁輔助-水凝膠粘接”血管吻合法對比

  本文采用的水凝膠由雙層網絡組成（圖2）：由鈣離子交聯(lián)的海藻酸鈉網絡和由二硫鍵交聯(lián)的聚丙烯酰胺網絡。膠水為殼聚糖、EDC/NHS 的水溶液， 使用時膠水施加在水凝膠與組織之間，促進共價鍵的形成。該水凝膠強韌粘接原理是：在 EDC/NHS 作用下，殼聚糖上的胺與組織和藻酸鹽上的羧基形成肽鍵，殼聚糖充當組織和水凝膠之間的橋接聚合物。在剝離過程中，鈣離子交聯(lián)的海藻酸鈉網絡具有耗散作用，強粘接層與水凝膠耗散作用產生高粘接能。該水凝膠的降解原理是：體液中的鈉離子與鈣離子交換可以降解海藻酸鈉的交聯(lián)網絡；體液中的還原作用如半胱氨酸與二硫鍵反應可以降解聚丙烯酰胺的交聯(lián)網絡。本文重點介紹這種水凝膠在血管吻合術中的應用。

圖2. 強韌、可降解水凝膠與生物組織的粘接及降解原理

  作者首先開展了體外實驗，測量了水凝膠與血管組織的粘接強度，耐水流測試、爆破壓測試，吻合時間測試。

圖 3. 磁輔助血管吻合體外實驗 (A) 各種常見組織粘接劑與豬血管的粘接強度Lap shear 測試與 (B) 180度剝離測試 (C) 粘接強度隨壓迫時間的變化 (D) 使用的磁環(huán)、墊圈與水凝膠 (E) 磁輔助血管吻合體外實驗操作步驟 (F) 各種常見組織粘接劑血管端對端粘接強度 (G) 粘接后的血管在50 毫米汞柱壓力的水流中維持24小時后保持正常 (H) 爆破壓力測試裝置 (I) 完成粘接的血管無需縫合可承受~160 mm Hg 壓力，稀疏縫合時可承受~200 mm Hg 壓力 (J) 臨床血管吻合對吻合口的密集縫線 (K) 水凝膠粘接血管吻合術和傳統(tǒng)縫合吻合術的操作時間比較。血管端端吻合進行一次吻合，血管移植時需進行兩側吻合。

  本研究發(fā)現(xiàn)水凝膠對人臍靜脈內皮細胞沒有毒性，不會引起人外周血單核細胞的炎癥反應發(fā)生，在動物體內的組織相容性良好，放置一個月后水凝膠可以完全降解，動物組織可以完全愈合。

圖 4. 水凝膠的細胞毒性、生物相容性以及動物體內可降解性 (A) 水凝膠浸提液作用于人臍靜脈內皮細胞（HUVEC）后的免疫熒光圖像 (B) 不同濃度水凝膠浸提液對HUVEC 的存活率影響 (C) 水凝膠浸提液對人外周血單核細胞 (PBMC)炎癥反應的影響 (D) 水凝膠的大鼠皮下埋植實驗 (E) 皮下炎癥的量化結果 (F) 水凝膠降解對大鼠肌肉組織愈合的影響 (G) 降解過程中水凝膠面積的量化結果。

圖 5. “磁輔助-水凝膠粘接”在肝臟移植中的應用 (A) 大動物肝臟移植模型 (B) 磁輔助-水凝膠粘接血管吻合手術過程 (C) 術后血管吻合口超聲檢查 (D) 術后一周大動物肝臟功能恢復情況 (E) (F) (G)對大動物進行尸體解剖，血管吻合口標本展示 (H) 吻合口標本電鏡檢查及HE染色結果。

  本研究在大動物肝臟移植模型上成功實現(xiàn)了磁輔助-水凝膠粘接血管吻合，術后實驗動物恢復良好，肝功能在第8天完全恢復正常。術后38天，對動物尸體進行解剖，結果表明磁輔助-水凝膠吻合的血管完全愈合，無狹窄或血栓等并發(fā)癥發(fā)生。

  論文第一作者為西安交通大學2018級外科學博士劉康（現(xiàn)就職于西安交通大學第一附屬醫(yī)院），共同第一作者為西安交通大學航天航空學院碩士生楊航（現(xiàn)為哈佛大學在讀博士）以及西安交通大學2019級外科學碩士生黃高鉑。通訊作者為哈佛大學鎖志剛教授、西安交通大學唐敬達副教授和西安交通大學第一附屬醫(yī)院呂毅教授。Bioactive Materials為生物醫(yī)學領域頂級期刊，最新影響因子為14.593。

  該研究受“陜西省2020年重點研發(fā)計劃”項目、國家自然科學基金面上項目資助，蘇州茵絡醫(yī)療器械有限公司及蘇州凝智新材料發(fā)展有限公司提供技術支持。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X21005247

通訊作者介紹

鎖志剛

美國工程院院士，美國科學院院士

鎖志剛教授，國際著名力學家，哈佛大學終身教授，美國科學院院士、工程院院士。1985年，本科畢業(yè)于西安交通大學力學系。1989年，在美國哈佛大學獲博士學位。在力學與材料科學的諸多領域開展了廣泛研究，在Nature, Science 等期刊上發(fā)表論文460余篇，Google引用67000余次，H因子136。近年來，在水凝膠等軟材料領域做出了開創(chuàng)性貢獻。

唐敬達

西安交通大學航天航空學院副教授，博士生導師

唐敬達，西安交通大學副教授，博士生導師。北京大學與哈佛大學聯(lián)合培養(yǎng)博士（導師方岱寧院士和鎖志剛院士），2017年進入西安交通大學航天航空學院工作，當年入選“博新計劃”。在軟物質力學領域開展研究，發(fā)表論文30余篇，其中以第一/通訊作者發(fā)表在Cell姊妹刊Matter, Adv. Funct. Mater., J. Mech. Phys. Solids, ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上。

呂毅

西安交通大學第一附屬醫(yī)院院長，教授，博士生導師

呂毅，主任醫(yī)師、教授，博士研究生導師。享受國務院特殊津貼專家，著名肝膽外科專家，教育部創(chuàng)新團隊學科帶頭人，衛(wèi)生部有突出貢獻中青年專家，陜西省“三秦學者”特聘教授，“西安市十佳創(chuàng)新人物”，美國外科醫(yī)師協(xié)會（ACS）FELLOW。西安交通大學醫(yī)工結合創(chuàng)新研究平臺——外科夢工場創(chuàng)始人�，F(xiàn)任西安交通大學校長助理、醫(yī)學部副主任，西安交通大學第一附屬醫(yī)院院長、黨委副書記，精準外科與再生醫(yī)學國家地方聯(lián)合工程研究中心主任。