首创仿生水凝胶保护心脏不受术后粘连的影响

【字体: 时间:2021年06月22日 来源:Nature Communications

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  加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的研究人员开发了一种水凝胶,可以形成一道屏障,防止心脏组织在手术后与周围组织粘在一起。这个由工程师、科学家和内科医生组成的团队还对猪心脏进行了一项初步研究,结果很有希望。他们在2021年6月18日的《自然通讯》杂志上描述了他们的工作。

  

加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的研究人员开发了一种水凝胶,可以形成一道屏障,防止心脏组织在手术后与周围组织粘在一起。这个由工程师、科学家和内科医生组成的团队还对猪心脏进行了一项初步研究,结果很有希望。

他们在2021年6月18日的《自然通讯》杂志上描述了他们的工作。

在大鼠中,水凝胶完全阻止了粘连的形成。在一项小规模的试点研究中,用水凝胶治疗的猪心脏发生了较轻的粘连,更容易移除。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(器官组织与周围组织粘连)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,再手术尤其常见——随着儿童心脏的生长,需要额外的干预。

术后30天内形成粘连,可使手术复杂化,并增加干预期间死亡的风险。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。该论文的资深作者之一、加州大学圣地亚哥分校的生物工程学教授凯伦·克里斯特曼(Karen Christman)就经历过这样的事情:她的一个叔叔的心脏瓣膜由于严重的粘连而无法修复。

“我们的工作是一个由医疗问题驱动的工程解决方案,”Christman说,他是卡里奥斯技术公司(Karios Technologies)的联合创始人,该公司将水凝胶引入诊所。“现在它已经准备好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内科医生,还汇集了化学家和材料科学家。

在加州大学圣地亚哥分校这样的学术医疗中心,大多数外科医生都会进行重复手术,并经常遇到粘连。在这项研究中,对照组中70%的大鼠出现了严重的粘连。

目前还没有FDA批准的预防心脏手术后粘连的产品上市。“这个产品将产生重大影响的生活许多患者可能需要重复操作,对心脏或身体的其他地方。”


这种水凝胶是专门为满足病人和外科医生的需求而设计的。可以喷洒,很容易使用。一旦被喷到组织上,它就会与心肌结合,形成一层柔软的、有弹性的涂层,形成一个保护屏障,同时仍然允许运动。这种凝胶很容易从组织中取出,4到6周后就会溶解。

最大的挑战是确保水凝胶足够牢固地附着在心脏上,但不会膨胀,因为膨胀会给心脏带来危险的压力。Christman和他的团队使用了所谓的交联化学,通过共价键将两个分子连接在一起来实现这一目标。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Masaki Fujita想到了一个主意:使用一种名为儿茶酚的化合物,类似于贻贝粘在岩石上的物质,以确保水凝胶在心脏上的固定位置。

儿茶酚含有一种氨基酸,左旋多巴,这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。其结果是将一种水凝胶粘在被应用的器官上,但随后会形成一个保护屏障,在溶解之前至少可以持续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配方来防止术后粘连。

喷雾装置

研究人员还设计了一种设备,可以在正在进行心脏直视手术的区域内安全、准确地喷洒水凝胶。该设备将水凝胶的两个主要部分放在两个不同的腔室中。每个组分都是由不同反应基团的聚乙二醇(PEG)交联而成的水凝胶。其中一个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。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,以细化剂量并检查水凝胶是如何与缝合线和引流管结合的。最终目标是在18个月到2年内进行一项人体儿科研究,并在5年内将该产品提交给FDA审批。

卡里奥斯科技公司从加州大学圣地亚哥分校获得了这项技术的许可。卡里奥斯科技公司的首席执行官说:“我们希望得到外科医生的反馈。我们专门设计这种材料用于心脏,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到其他需要多次手术和易发生粘连的器官上。

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