《Adv.Mater.》天津大學楊建海/劉文廣:超柔軟自融合超分子聚合物水凝膠，可完全防止術后組織粘連

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關注 2021年3月19日 11:38

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【科研摘要】

分子間的氫鍵密度嚴重影響氫鍵合的超分子聚合物水凝膠的凝膠化和流變行為，因此提供了一條微妙的途徑來調整其理化性質，以滿足特定的生物醫學應用。最近， 天津大學 楊建海/劉文廣教授 團隊 引入了 N-丙烯?；拾滨０罚∟AGA）側鏈中兩個酰胺之間的一個亞甲基間隔基，以生成變體單體N-丙烯酰基丙氨酰胺（NAAA）。

NAAA在水溶液中的聚合提供了前所未有的超軟和高度溶脹的超分子聚合物水凝膠，這是由于額外的亞甲基間隔基導致的H鍵弱化所致 ，這一點已通過變溫傅里葉變換紅外（FTIR）光譜和模擬計算得到了驗證。有趣的是， 可以調節聚（N-丙烯酰基丙氨酰胺）（PNAAA）水凝膠以形成具有自融合和出色的防污能力的瞬態網絡，這是由于弱的雙酰胺H鍵相互作用和增強的水酰胺H鍵相互作用導致的。 這種自融合的PNAAA水凝膠可以完全抑制體內粘連后的術后腹部粘連和復發性粘連。這種短暫的水凝膠網絡可使其分解并從體內排泄。分子機理研究揭示了PNAAA水凝膠抑制炎癥反應和調節纖溶系統平衡的信號途徑。這種自融合，防污的超軟超分子水凝膠有望作為一種屏障生物材料來完全防止術后組織粘連。 相關論文以題為 An Ultrasoft Self‐Fused Supramolecular Polymer Hydrogel for Completely Preventing Postoperative Tissue Adhesion 發表在《Advanced Materials》上。

【圖文解析】

基于 PNAGA水凝膠對分子結構的微妙敏感性，在這項工作中， 作者 設計并合成了一種新型的N-丙烯?；滨０罚∟AAA）單體，該化合物通過使丙氨酰胺與 丙烯酰氯（方案1a）。通過NAAA水溶液的自由基聚合反應制得的聚（N-丙烯?；彼狨０罚≒NAAA）水凝膠將出現新的令人興奮的功能。 作者 假設弱化的互聚物氫鍵將導致具有自融合能力的超軟PNAAA超分子水凝膠的形成，而增加的水聚合物氫鍵可提供出色的防止蛋白質吸收和成纖維細胞粘附的能力，這將是有益的 用于術后防粘連（方案1b）。

示意圖1 a，b）具有H鍵交聯網絡的超分子PNAAA水凝膠的示意圖（a），以及經過或未經過PNAAA水凝膠處理的大鼠盲腸腹壁粘連模型的示意圖（b）。

圖1 a）N-丙烯?；滨０罚∟AAA）和N-丙烯?；拾滨０罚∟AGA）的化學結構。b）在生理鹽水中浸泡3天后，PNAAA-25水凝膠和PNAGA-25水凝膠的照片。c）具有不同單體含量的PNAAA水凝膠和PNAGA水凝膠的溶脹率。d，e）PNGA-25水凝膠（d）和PNAAA-25水凝膠（e）的變溫FTIR光譜; 虛線是羰基在150°C時的曲線擬合。f）無序氫鍵羰基和游離羰基的總量與有序氫鍵羰基的數量之比；AF：游離羰基擬合曲線的積分面積；AD：無序氫鍵羰基擬合曲線的積分面積；AO：有序氫鍵羰 基擬合曲線的積分面積。 g，h）混合有6H ₂ O的雙NAGA二聚體（NAGA-22）（g）和雙NAAA二聚體（NAAA-22）（h）的構象。

圖2 PNAAA水凝膠的流變學特性。a）掃頻曲線（0.1–100 Hz，應變為1％，37°C）。b）時間掃描曲線（0–3分鐘，1 Hz，應變為1％，37°C）。c）階躍應變曲線，低應變為0.5％，高應變為500％（1 Hz，37°C）。d）剪切速率掃描曲線在0.01–1000 s-1的范圍內。e）自融合PNAAA水凝膠的時掠曲線（0-3分鐘，1 Hz，應變1％，37°C。f）在低應變0.5％時自融合PNAAA水凝膠的階躍應變掃描 最高500％（1 Hz，37°C）。

圖3 自融合 PNAAA水凝膠的防污能力和細胞活力。a）BSA在自融合PNAAA水凝膠和PNAGA-25水凝膠上的吸附。b）纖維蛋白在自融合PNAAA水凝膠和PNAGA-25水凝膠上的吸附。c）18小時后，L929細胞在自融合PNAAA水凝膠和PNAGA-25水凝膠上的細胞附著。放大倍率：200×；比例尺：100 μm。d）自融合的PNAAA水凝膠的細胞毒性。

圖4 自融合 PNAAA水凝膠的術后抗粘連能力。a）模型，PNAAA水凝膠和HA水凝膠組在術后第14天和粘連后第7天的腹部粘連的代表性照片。b）在治療后第14天和粘著溶解后第7天治療后不同組的粘附力評分?！?r”表示“經常出現”。c，d）術后第14天和粘連后第7天，對正常組，模型組，PNAAA水凝膠和HA水凝膠組的標本進行病理分析。CE：盲腸；AW：腹壁。

圖5 自融合 PNAAA水凝膠對核因子κB（NF-κB）信號通路的影響。a，b）術后第14天和粘連后第7天，受傷組織中TNF-α的相對mRNA表達和血清中TNF-α的濃度；c，d）在術后第14天和粘著溶解后第7天，p65蛋白在受傷組織中的表達。

圖6 自融合 PNAAA水凝膠對纖溶系統的影響。a）術后第14天對不同組進行代表性的免疫熒光染色。組織切片用DAPI（藍色），t-PA-Alexa Fluor 594（紅色）和PAI-1-Alexa Fluor488（綠色）染色。放大倍率：200×；比例尺：50 μm。b，c）受傷組織中PAI-1和t-PA的相對mRNA表達; d，e）術后第14天和粘連后第7天血清中PAI-1和t-PA的濃度。

圖7 自融合 PNAAA水凝膠對TGF-β1/ Smad信號通路的影響。a，b）受損組織中TGF-β1的相對mRNA表達和血清中TGF-β1的濃度; c，d）在手術后第14天和粘著溶解后第7天，Smad3和Smad7蛋白在受傷組織中的表達。e，f）術后第14天和粘連后第7天的免疫熒光染色圖像。組織切片用DAPI（藍色），Smad7-Fluor 594（紅色）和Smad3-Alexa Fluor488（綠色）染色。

圖8 PNAAA水凝膠預防術后腹部粘連的分子機制。綠色虛線圓圈表示受PNAAA水凝膠影響的蛋白質。

【總結】

作者 僅通過在 N-丙烯?；拾滨０穫孺湹膬蓚€酰胺之間引入一個亞甲基即可設計并合成了一種新型單體NAAA 。在沒有任何化學交聯劑的情況下，NAAA單體水溶液的自由基聚合可形成超分子聚（N-丙烯?；彼狨０罚┧z。由于一種額外的亞甲基的干擾導致雙酰胺氫鍵相互作用的減弱，所得的PNAAA水凝膠高度溶脹和超軟。 PNAAA水凝膠可以被調節形成具有自融合和優異防污能力的瞬態網絡， 這歸因于酰胺間氫鍵的弱化和水酰胺間氫鍵的相互作用的增強。這種自融合且防污的PNAAA水凝膠可以完全防止大鼠術后腹腔粘連和粘連溶解后的反復粘連 。此外，揭示了防止粘連的潛在機制，即該超分子聚合物水凝膠可抑制炎癥反應并平衡纖溶系統。這項研究指出了調整超分子聚合物水凝膠性能的新方向，從而拓寬了其作為術后抗粘連的有希望的屏障材料的應用范圍。需要指出，通過修改當前方法來探索 PNAAA水凝膠的大規模生產。將來需要進一步評估PNAAA對大型動物（如狗和豬）術后粘連的預防效果。在設計新的動物模型之前，必須先考慮大小和器官重量，身體活動水平，手術程序和并發癥方面的大小動物之間的顯著差異。在大型動物的手術中，可能會發生出血。由于缺乏止血能力，內在 的止血活性將被引入到 PNAAA水凝膠中。另外，在較大的動物模型中，還需要優化PNAAA水凝膠的劑量。

參考文獻： doi.org/10.1002/adma.202008395

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