生物灵感水凝胶保护心脏免受术后粘连

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加州大学圣地亚哥分校的研究人员开发了一种水凝胶，可以在手术后形成屏障，防止心脏组织与周围组织粘附，并成功地在啮齿动物身上进行了测试。由工程师、科学家和医生组成的团队还对猪心脏进行了初步研究，取得了令人鼓舞的结果。

他们在2021年6月18日的《自然通讯》上描述了他们的工作。

在大鼠身上，水凝胶完全阻止了粘连的形成。在一项小型试点研究中，用水凝胶处理过的猪心脏的粘连不那么严重，也更容易去除。此外，水凝胶似乎没有引起慢性炎症。

当外科医生需要在同一部位再次手术时，粘连——器官组织粘在周围组织上——是一个相对常见的问题，在心脏手术中，每年有20%的病例发生这种情况。当患者是患有心脏畸形的儿童时，再次手术尤其常见——随着儿童心脏的生长，需要额外的干预措施。

术后前30天内形成粘连，可使手术复杂化，并增加干预期间的死亡风险。在某些情况下，它们还会干扰正常的心脏功能或完全阻止重复手术。这篇论文的资深作者之一，加州大学圣地亚哥分校生物工程教授凯伦·克里斯特曼(Karen Christman)就经历过这种情况，当时她的一个叔叔因为严重的心脏粘连而无法修复心脏瓣膜。

“我们的工作是一个由医学问题驱动的工程解决方案，”克里斯特曼说，他与人共同创立了卡里奥斯技术公司，将水凝胶引入临床。“现在，它有望显著改善成人和儿童的心脏手术。”

这项工作不仅汇集了生物工程师和医生，还汇集了化学家和材料科学家。

在学术医疗中心，如加州大学圣地亚哥分校，大多数外科医生进行重复手术，并经常遇到粘连。在这项研究中，对照组中70%的动物出现了严重的粘连。

目前还没有fda批准的用于预防心脏手术后粘连的产品上市。“这种方法有可能显著影响许多可能需要重复手术的患者的生活，无论是心脏还是身体其他部位，”加州大学圣地亚哥分校健康中心心血管胸外科主任迈克尔·m·马达尼博士说，他也是该论文的合著者之一。

它是如何制作的

相比之下，由克里斯特曼实验室的生物工程师开发的水凝胶是专门为满足患者和外科医生的需求而设计的。它是可喷的，很容易涂。一旦喷到组织上，它就会与心肌结合，变成一层柔软的、有弹性的涂层，在形成保护屏障的同时，仍然允许运动。这种凝胶可以很容易地从组织中去除，并在四到六周后溶解。

最大的挑战是确保水凝胶足够牢固地附着在心脏上，但不会肿胀，因为肿胀会对心脏造成危险的压力。克里斯特曼和他的团队使用了所谓的交联化学，即用共价键将两个分子连接在一起。这篇论文的第一作者、加州大学圣地亚哥分校生物工程系的访问科学家藤田正树(Masaki Fujita)提出了使用一种被称为儿茶酚的化合物的想法，这种化合物类似于贻贝用来粘附在岩石上的化合物，以确保水凝胶留在心脏上。

儿茶酚含有一种氨基酸，左旋多巴，它是一种肌肉结合蛋白。在这种情况下，它被添加到凝胶基中，这是一种水溶性聚合物，称为PEG。其结果是一种水凝胶附着在被应用的器官上，但随后会形成一个保护屏障，在溶解之前至少持续4周。到那时，粘连就不太可能形成了。据研究人员所知，这是第一次使用这种类型的配方来预防手术后粘连。

喷雾装置

左图:术后用水凝胶处理的啮齿动物心脏，术后两周几乎没有粘连。右图:对照鼠组的心脏显示严重粘连。

研究人员还设计了一种设备，可以安全准确地在进行心脏直视手术的区域内喷洒水凝胶。该装置将水凝胶的两个主要成分放在两个不同的腔室中。每种成分都是由不同反应基团的聚乙二醇组成，这些基团交联在一起形成水凝胶。其中一种解决方案还包括儿茶酚修饰的聚乙二醇，以确保它留在心脏上。这两种物质在离开装置时混合，形成凝胶。这个过程类似于用两罐喷漆，比如蓝色和黄色，来创造第三种颜色，绿色。

下一步和更大的蓝图

下一步是在猪身上进行大规模试验，以改进剂量，并研究水凝胶如何与缝合线和排水管结合。最终目标是在18个月到2年内进行人类儿科研究，并在5年内将产品提交FDA批准。

卡里奥斯技术公司从加州大学圣地亚哥分校获得了这项技术的授权。卡里奥斯科技公司的首席执行官格雷戈里说:“我们希望从外科医生那里得到反馈。“我们专门设计了这种材料用于心脏，便于外科医生使用。”

研究人员说，这项技术可以很容易地应用于其他需要多次手术且容易粘连的器官。

这项工作由国家心肺和血液研究所通过加州大学加速创新中心和国家推进转化科学中心通过加州大学圣地亚哥临床和转化研究所资助。

克里斯特曼是卡里奥斯技术公司(Karios Technologies)的联合创始人之一，并持有该公司的股权，该公司是一家旨在将水凝胶技术商业化的初创公司。Madani博士是该公司的顾问。Christman, Fujita和Madani是与这项工作相关的专利和专利申请的发明者。