《Materials Today Bio》：Biomimetic Interfacial Water-Regulated Hybrid Dual-Layer Hydrogel for Wound Healing, Anti-Adhesion and Hemostasis Post Partial Hepatectomy
编辑推荐：
仿生水凝胶因其优异的生物相容性和组织适应性，在伤口修复领域受到广泛关注。双层水凝胶可同时实现止血和抗粘连，在肝切除手术中展现出显著的应用潜力。然而，现有体系存在机械性能和湿态粘附能力不足，以及促进肝伤口愈合效果有限的问题，严重阻碍了其临床转化。为解决肝切除术后
仿生水凝胶因其优异的生物相容性和组织适应性，在伤口修复领域受到广泛关注。双层水凝胶可同时实现止血和抗粘连，在肝切除手术中展现出显著的应用潜力。然而，现有体系存在机械性能和湿态粘附能力不足，以及促进肝伤口愈合效果有限的问题，严重阻碍了其临床转化。为解决肝切除术后伤口复杂的微环境，本研究开发了一种由抗粘连层（AAL）和修复层（RL）组成的双层功能水凝胶（DAR@Glu）。通过界面水调控与多氢键网络的协同作用，该材料结合了稳定的湿态粘附与抗粘连特性：修复层通过动态共价键和氢键实现强湿态粘附，而谷氨酸修饰进一步增强了肝组织修复活性；抗粘连层形成致密的水合层，有效防止组织粘连。体外实验证实，DAR@Glu可在水下稳定粘附1.5公斤重量，展现出优异的机械性能和持续的湿态粘附力。在大鼠部分肝切除模型中，谷氨酸的引入显著增强了肝组织修复效果。术后第7天分析显示，DAR@Glu组的细胞周期蛋白D1（CyclinD1）阳性率超过68%，而Ki67和增殖细胞核抗原（PCNA）阳性率均高于40%。CD68阳性率最低，同时水凝胶也表现出良好的止血效果；在盲肠损伤模型中，该水凝胶有效抑制了腹腔内粘连。因此，DAR@Glu能高效促进肝切除后的伤口愈合、止血和抗粘连，为肝损伤的临床修复提供了一种创新策略。
**研究背景与问题**
部分肝切除术广泛应用于肝肿瘤、肝内胆管结石和肝脓肿的治疗。然而，术后并发症，包括出血、感染和腹腔粘连，仍然是主要的危险因素，显著增加了术后发病率和死亡率。证据表明，部分肝切除术后出血发生率可达10.2%，而术后粘连形成率在20%至30%之间。这些并发症不仅影响术后恢复，还增加了患者二次手术的可能性。肝切除术后有效的肝组织修复和维持足够的肝功能储备对于保持正常术后肝功能、防止肝功能不全至关重要。
为减少围手术期出血，研究人员开发了用于肝手术止血的局部止血材料，例如明胶海绵。然而，此类材料主要通过局部填塞发挥止血作用，存在异物相关感染风险，且在严重出血情况下止血效果相对有限。
仿生水凝胶因其优异的生物相容性和机械性能，已成为伤口修复和术后护理领域有前景的材料。然而，由于肝组织血供丰富且创面持续湿润，水凝胶在接触体液时粘附强度易下降，难以满足肝切除手术的临床需求。此外，许多水凝胶体系难以同时实现止血和抗粘连功能。例如，丝胶蛋白基水凝胶虽能快速止血，但缺乏抗粘连能力。甲基丙烯酰化明胶（GelMA）是一种胶原衍生的光交联聚合物，在紫外线照射下可在伤口部位形成快速物理屏障，保护组织并为细胞增殖和组织重塑创造适宜的微环境。透明质酸（HA）兼具生物相容性和生物可降解性；其改性衍生物，如氧化透明质酸（OHA），可在生理条件下发生可控降解，促进营养交换和细胞浸润，并推动伤口愈合过程从炎症期向组织再生期过渡。尽管GelMA和OHA都是常用的伤口愈合水凝胶基质材料，但每种组分都有其固有的功能局限性。因此，目前肝切除术后局部使用的材料通常仅针对单一临床需求，如止血、抗粘连或伤口修复，难以同时实现对湿润创面的稳定粘附、有效隔离邻近组织以及促进肝伤口修复，从而限制了整体临床治疗效果。
**研究概述与意义**
为克服这一局限，本研究提出了一种由抗粘连层（AAL）和修复层（RL）通过热交联接合而成的双层水凝胶（DAR），该水凝胶在湿润环境中能保持稳定结构和完整功能。相关研究成果发表在《Materials Today Bio》期刊上。这项研究的意义在于开发了一种多功能一体化的新型生物材料，旨在解决肝切除术后创面管理的临床难题，通过结构设计与生物活性修饰的结合，为肝部分切除术后伤口的一体化修复提供了新的研究思路和材料候选。
**关键技术方法概述**
研究人员采用的关键技术方法主要包括：1. 材料合成与表征：合成了修复层关键组分聚(N-3-氨丙基甲基丙烯酰胺盐酸盐-co-N-三羟甲基甲基丙烯酰胺) [p(APMA-co-THMA)]、GelMA和OHA，以及抗粘连层组分[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-磺丙基)氢氧化铵（SBMA），并通过核磁共振氢谱（
1H NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）进行了表征。2. 水凝胶构建：通过紫外光交联制备修复层，再通过浸渍和热交联将抗粘连层结合到修复层一侧，最终形成双层DAR水凝胶。在此基础上，将谷氨酸引入优化体系，构建了谷氨酸修饰的双层水凝胶（DAR@Glu）。3. 性能评估体系：建立了系统的体外和体内评估模型，包括机械性能测试（拉伸、压缩）、粘附性能测试（搭接剪切、水下承重）、密封性能与爆破压力测试、生物相容性评估（细胞毒性、溶血性）、抗氧化与抗菌测试、以及在大鼠部分肝切除模型和盲肠损伤模型中评估其止血、抗粘连和促进肝再生的效果。
**研究结果**
**3.1. DAR合成与材料鉴定**
通过XPS、SEM和
1H NMR分析证实了DAR、RL和AAL的准确合成。XPS显示AAL处理RL一侧后，表面化学组成发生变化，检测到氮和硫元素信号。SEM显示AAL呈疏松多孔结构，RL表面光滑平坦，而DAR表面结构从光滑平坦变为疏松多孔，表明AAL和RL通过浸渍和热交联有效键合。
**3.2. DAR湿态粘附机制的分子动力学模拟**
全原子分子动力学模拟比较了含OHA的实验水凝胶与不含OHA的对照组之间的界面水行为。二维水密度图显示，对照组表面水分子均匀分散，而实验组表面水分子呈非均匀簇状分布，具有高密度和低密度交替区域，体现了DAR优异的亲疏水特性。一维水分子密度剖面表明，实验组形成了更靠近凝胶表面的宽化密度峰，显示水分子能深入DAR三维网络。氢键分析表明，实验组形成的水分子-聚合物氢键数量显著多于对照组，且波动更小，界面结合更稳定。相互作用能数据表明DAR体系与水分子的结合强度更高。
**3.3. 机械性能测试**
拉伸和压缩测试表明，在所有浓度梯度组中，R9O1（含OHA）实现了最高的拉伸应变（700%）和应力（超过120 kPa），并表现出优异的韧性。DAR（由R9O1经AAL溶液浸渍和热交联制得）的机械性能优于单层水凝胶（R9O1），这主要归因于SBMA的静电效应增强了水凝胶的能量耗散性能。
**3.4. 水凝胶粘附性能、溶胀性能、密封性能及爆破压力强度测试**
搭接剪切测试表明，含OHA的R9O1在干燥猪皮上的峰值粘附值高于不含OHA的R10O0。与市售纤维蛋白胶相比，R9O1的最大粘附力平均高出三倍以上。在湿组织粘附测试中，预干燥的R9O1（d-R9O1）表现出优于未干燥R9O1的湿组织粘附性能，最大湿粘附力达48 kPa，并能稳定支撑约1.5 kg重量。溶胀性能测试显示，DAR组水凝胶的溶胀率低于其他组，表明其双层结构更稳定，且在长期水环境中能保持完整形态并稳定支撑1 kg重量。密封性能测试表明，DAR能有效封堵猪胃（液体）、心脏（气体）和肺（气体）损伤模型的渗漏。爆破压力测试显示，DAR的最大爆破压力达到30 kPa，远高于人体静息腹内压。
**3.5. 水凝胶的生物相容性**
细胞相容性实验（活/死染色和CCK-8法）显示，DAR和R9O1提取物培养的L929细胞活力与对照组无显著差异，表明水凝胶无明显细胞毒性。溶血率远低于5%的安全阈值。细胞划痕实验显示，DAR组在12小时和24小时的细胞迁移率显著高于对照组。主要器官（心、肝、脾、肺、肾）的苏木精-伊红（HE）和Masson染色显示无显著病理变化。
**3.6. 抗氧化、抗菌及保水性能评估**
DPPH自由基清除实验表明，R9O1在9小时内的清除率超过80%，显著高于R10O0。平板抗菌实验显示，DAR和R9O1对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均产生明显的抑菌圈，而对照组和AAL组无显著抗菌效果。电镜观察显示细菌细胞膜破裂。保水测试表明，DAR在室温下表现出最高的保水率。
**3.7. 水凝胶降解性能评估**
将DAR、R9O1和DAR@Glu圆形贴片植入大鼠皮下组织。宏观观察显示，植入后第1周，所有三组水凝胶表面均形成纤维囊并完全包裹水凝胶。至第4周，三种水凝胶均有效降解。定量结果显示，三组水凝胶的质量随时间逐渐下降。Masson染色显示，降解过程中水凝胶周围无异常细胞增殖或过度胶原沉积。
**3.8. 水凝胶止血能力及抗粘连性能评估**
在大鼠部分肝切除模型中，DAR和DAR@Glu组在术后3分钟的出血量显著少于未处理组和明胶海绵组，且两者间无显著差异。在大鼠盲肠损伤模型中，术后第14天，对照组和R9O1组观察到明显的盲肠与腹壁粘连，而DAR和DAR@Glu组未检测到粘连。组织学检查（HE染色）进一步证实了这些发现。
**3.9. DAR@Glu促进肝再生效果评估**
在部分肝切除动物模型中，术后第1、4、7天检测血清丙氨酸氨基转移酶（ALT）和天冬氨酸氨基转移酶（AST）水平。结果显示，DAR@Glu组的转氨酶水平在术后第1天就显著低于对照组和明胶海绵组，且这种差异在整个7天观察期内持续存在。术后第7天肝组织免疫组化染色显示，DAR组中Ki67、PCNA和CyclinD1三种标志物阳性细胞数量均显著高于对照组，而DAR@Glu组的阳性细胞比例进一步显著增加。其中，Cyclin D1阳性细胞比例超过68%，Ki67和PCNA阳性细胞比例均超过40%。同时，DAR组中CD31和α-SMA的表达水平显著高于其他对照组，而CD68的表达显著降低。在DAR@Glu组中，CD31和α-SMA的表达水平较DAR组进一步升高，CD68的表达更低。
**讨论与结论**
具有界面水调控功能的仿生双层水凝胶DAR，以及通过引入谷氨酸构建的复合体系DAR@Glu，旨在解决部分肝切除术后伤口出血、腹腔粘连以及肝组织修复效率低等临床问题。DAR水凝胶通过界面水调控设计以及多氢键与动态希夫碱键的协同作用，可在湿润创面实现稳定粘附，并具备优异的机械性能、生物相容性和可降解性。修复层的致密交联网络和快速吸水特性为术中止血提供了材料基础。具有SBMA亲水表面的抗粘连层可形成致密水合层，通过物理屏障作用发挥抗粘连效果。在此基础上构建的DAR@Glu复合水凝胶，可通过谷氨酸对局部炎症微环境和肝细胞增殖的调控作用，与修复层基质成分产生协同修复效应；这一机制与体内实验显示的CD68表达下调和Ki67、PCNA、Cyclin D1等增殖标志物上调的结果相一致，为材料的促修复效果提供了分子层面的支持。从整体治疗效果来看，DAR@Glu双层水凝胶在大鼠部分肝切除模型中被验证具有术中止血和肝伤口修复效果，在盲肠损伤模型中被证实DAR和DAR@Glu均具有稳定的腹腔内抗粘连效果，实现了满足部分肝切除术后复杂伤口需求的多功能协同。
总之，DAR@Glu双层水凝胶同时具备湿面稳定粘附、止血、抗粘连和促进肝伤口修复的多种功能。通过结构设计与生物活性修饰的结合，弥补了传统单功能伤口材料的不足，为部分肝切除术后肝创面的一体化修复提供了新的研究思路和材料候选。
