鞣酸增强各向异性聚乙烯醇水凝胶在尿道狭窄重建中的应用

《Biomaterials》：Tannic Acid-Reinforced Anisotropic Polyvinyl Alcohol Hydrogel for Urethral Stricture Reconstruction

　　

高大军|王浩民|刘冲|倪建树|王国庆|姚海军|万翔|郑大超

中国上海交通大学医学院附属上海第九人民医院泌尿科

摘要

尿道狭窄是一种导致管腔狭窄的纤维化疾病，目前缺乏有效的药物治疗方法，而自体移植又受到供体部位的限制。组织工程技术，特别是各向异性水凝胶，为尿道修复提供了有希望的替代方案，但尚未在临床中得到充分探索。在本研究中，我们通过机械处理和氢键交联技术制备了一种多功能各向异性聚乙烯醇/单宁酸（APVA/TA）水凝胶，用于尿道重建。该水凝胶具有优异的结晶度、机械强度和抗肿胀性能，其中单宁酸具有强大的抗氧化和广谱抗菌活性。体外实验表明，单宁酸能够抑制LPS诱导的炎症反应，而其各向异性结构则促进了内皮细胞迁移和血管生成。在兔尿道狭窄模型中，APVA/TA2.5水凝胶显著降低了狭窄复发率（阻塞率为12.6%），并通过促进上皮再生（pan-CK）、血管形成（CD31）和平滑肌再生（α-SMA）改善了修复效果。本研究展示了各向异性结构和单宁酸在实现功能性尿道重建中的双重作用，为尿道狭窄的管理提供了一种新型的组织工程解决方案。

引言

尿道狭窄是由于尿道黏膜及周围海绵体组织发生纤维化瘢痕形成和收缩导致的管腔局部狭窄。该疾病在男性中更为常见，全球患病率约为0.2%至0.9%¹。风险因素包括尿道下裂手术、尿道插管或器械操作、创伤性损伤以及经尿道手术²。目前尚无有效的药物治疗方法，临床指南建议以手术治疗为主³。主要的外科技术是自体颊黏膜移植，这种方法的优点在于颊黏膜易于获取，其分层上皮能形成紧密连接，从而有效抵抗导管和尿流的机械摩擦，减轻周围组织的过度纤维化和收缩⁵。然而，自体组织采集不可避免地会带来供体部位的并发症，如出血、感染和功能受损⁶。此外，组织供应有限也给大规模修复带来了挑战。因此，通过组织工程开发新型可降解材料对于尿道狭窄修复至关重要。

过去二十年里，尿道狭窄的组织工程技术取得了快速进展<7, 8>。全球众多研究人员专注于支架材料、种子细胞以及组织工程尿道的功能性重建，为临床应用奠定了坚实基础<9>。近年来，各向异性水凝胶因其独特的微观结构和机械性能而在组织工程中得到广泛应用<10, 11>。早期研究表明，通过基本循环拉伸制备的各向异性水凝胶具有优异的机械性能，并能调节胶原纤维排列，但在复杂生理环境中维持这种排列结构的长期稳定性仍面临挑战<12, 13>。为解决这一问题，可以结合机械处理与强化和增韧工艺。盐析过程通过霍夫迈斯特效应（Hofmeister effect）诱导聚合物链脱水和聚集，而退火处理则促进密集结晶结构的形成。这些过程有效锁定了材料的各向异性结构，显著提高了其抗疲劳性和韧性。这类水凝胶在角膜、皮肤、肌肉和神经再生等多个领域展现出广泛应用前景<14, 15>。然而，目前尚未有研究探讨这些先进各向异性水凝胶在尿道狭窄修复中的应用。

除了改进水凝胶的物理性质外，赋予其独特生物功能的材料（尤其是抗菌<16, 17>、抗炎和促血管生成<18>）成为更理想的尿道修复候选材料。关于尿道狭窄的综合性药物治疗研究表明，调节炎症反应和调控纤维化相关信号通路（如RhoA/ROCK、AKT、Wnt和TGF-β/Smad）可以有效预防瘢痕形成并降低狭窄复发率<19>。单宁酸（TA）是一种源自植物的多酚化合物，早在一个世纪前就被发现<20>，具有多种生物活性，包括抗氧化作用、强组织黏附性、广谱抗菌性和强抗炎效果<21, 22>。我们之前的研究表明，将单宁酸掺入水凝胶中不仅可延长其降解时间，还能显著提升其机械性能<23>。此外，单宁酸对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）等常见病原体具有强大的抗菌作用，使其特别适用于需要严格控制感染的泌尿系统应用<24>。

在本研究中，我们设计并制备了一种新型多功能各向异性聚乙烯醇和单宁酸复合水凝胶，旨在克服当前尿道狭窄修复的临床局限。虽然已有研究广泛探讨了聚乙烯醇和单宁酸的基本体系，但我们的材料设计创新之处在于结合多种加工技术，实现了高度特异性和稳定的物理结构。我们的制备过程分为两个关键阶段：首先通过循环机械拉伸结合盐析处理，主动重塑并排列聚合物链，使其呈现高度有序的各向异性结构；随后进行热退火处理，并引入单宁酸以锁定这种结构。在这种体系中，单宁酸不仅作为生物功能剂，还作为交联剂，与预先排列的聚合物链形成广泛的双氢键网络。这种复杂设计有效克服了传统水凝胶的机械弱点，赋予材料出色的机械性能和可缝合性，这对于外科应用至关重要。此外，锁定的各向异性结构为细胞迁移提供了导向，而稳定掺入的单宁酸则提供了必要的抗氧化、抗菌和抗炎效果。我们系统评估了该复合水凝胶的化学结构和机械性能，并通过兔尿道狭窄模型验证了其在促进无瘢痕尿道重建方面的显著疗效。

章节摘录

APVA/TA水凝胶的制备与组成表征

我们对制备的水凝胶的化学结构、结晶度、热力学性质和膨胀行为进行了全面评估，关键结果如图2所示。宏观观察证实该水凝胶具有优异的柔韧性（见图2A）。傅里叶变换红外光谱用于验证化学成分和分子间相互作用（见图2B）。

结论

本研究成功设计并合成了一种含有2.5%单宁酸（TA）的各向异性PVA水凝胶，并通过体外和体内实验系统评估了其理化性质和尿道修复效果。各向异性处理在材料表面形成了特定的图案，促进了尿道细胞的黏附、增殖和血管形成。单宁酸的加入增强了材料的抗炎性能

材料

聚乙烯醇（PVA）和硫酸钠（Na₂SO₄）购自中国国家医药集团 Corporation（Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.）。单宁酸（TA）和5-(4,6-二氧-1,3,5-三嗪)氨基苯荧光染料（5DTAF）购自上海Macklin生化有限公司。EasyPure? Fast Cell RNA试剂盒（ER111-01）购自TransGen Biotech（中国）。

APVA/TA水凝胶的制备

将预定质量的聚乙烯醇（PVA）粉末加入加热至90°C的去离子水中

CRediT作者贡献声明

王国庆：研究方法指导。倪建树：研究方法设计。姚海军：撰写、审稿与编辑、研究方法指导。郑大超：撰写、审稿与编辑、项目管理和资金申请、概念构思。万翔：资金申请、数据管理。刘冲：资金申请、数据管理。王浩民：初稿撰写、研究方法设计、数据分析。高大军：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、研究方法设计

出版同意

所有参与者均已签署出版同意书。

数据获取

如需，本研究中的所有数据均可提供。

? 作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系和个人关联：郑大超报告称其研究得到了上海市科技重大项目、上海市卫生系统重点学科发展计划以及国家重点临床专科建设项目的资金支持

致谢

本研究得到了以下项目的资助：上海市科技重大项目（项目编号：23Y11903800）、上海市卫生系统重点学科发展计划（项目编号：2024ZDXK0043）、国家重点临床专科建设项目（项目编号：10000015Z155080000004）、中央高校基本科研业务费（项目编号：YG2022QN066、LC）、上海第九人民医院科研博士培养计划（项目编号：2022hbyjxys-wx, WX）以及国家其他相关项目的支持。