超声激活三层压电生物粘合剂用于胃肠道穿孔的快速修复和抗菌治疗

《Bioactive Materials》：Ultrasound-activated trilayer piezoelectric bio-adhesive for rapid repair and antibacterial treatment of gastrointestinal perforation

　　

胃肠道穿孔（Gastrointestinal Perforation, GIP）是一种严重的腹部急症，其治疗关键在于及时封闭穿孔和有效控制感染。目前，生物材料在急性GIP修复中的应用主要集中于快速密封和组织修复，但在抗菌功效方面仍存在一定局限性。为解决这一局限性，研究人员开发了一种由抗菌压电层、导电粘合层和组织再生层组成的三层压电生物粘合剂。以载有银掺杂氧化石墨烯（Ag@GO）纳米片的聚羟基丁酸酯（PHB）压电膜作为最外层，可在超声处理下产生压电信号，这些信号通过组织粘附性聚（3-氨基-4-甲氧基苯甲酸）-明胶（PAMB-G）水凝胶传输到周围伤口区域。同时，使用脱细胞细胞外基质（dECM）支架制备的最内层为组织修复和血管再生提供了有利的微环境。体外实验证明，压电刺激具有双重功能，既能促进组织修复，又能发挥抗菌作用，这主要是因为压电效应介导了Piezo1依赖性钙内流，从而促进了成纤维细胞活性和巨噬细胞免疫调节。体内实验结果表明，在超声（US）激活下，所设计的三层生物粘合剂在大鼠胃和小肠穿孔模型中于15天内实现了全层愈合。此外，该生物粘合剂在盲肠结扎穿刺（CLP）模型中降低了腹腔细菌负荷，并在胰瘘模型中保持了稳定的防漏能力和良好的组织愈合能力。本研究提出了一种具有快速密封、协同抗菌活性和促进组织修复能力的超声响应性三层压电生物材料，为治疗胃肠道穿孔提供了一种新颖策略和潜在方法。

胃肠道穿孔（Gastrointestinal Perforation, GIP）是消化系统的一种致命性急症，传统手术缝合存在二次损伤、感染风险高及愈合缓慢等局限。现有生物材料虽能实现快速密封，但缺乏有效的抗菌功能和微环境调控能力。为解决这一难题，研究人员设计了一种超声（US）激活的三层压电生物粘合剂，旨在实现快速密封、协同抗菌、免疫调节并促进组织再生。该研究发表在《Bioactive Materials》。

研究人员开展了以下研究：首先制备了载银氧化石墨烯（Ag@GO）纳米片的聚羟基丁酸酯（PHB）压电膜（Ag@GO@PHB）作为外层；合成导电粘合水凝胶（PAMB-G）作为中间层；利用猪跟腱制备脱细胞细胞外基质（dECM）支架作为内层。通过体外实验评估了其理化性能、压电输出、抗菌活性、细胞相容性及对成纤维细胞、胃上皮细胞和巨噬细胞的功能调控，并利用Piezo1抑制剂（GsMTx4）和siRNA验证了分子机制。在体内，建立了大鼠胃穿孔、小肠穿孔、盲肠结扎穿刺（CLP）及胰瘘模型，评估了修复效果、免疫反应及抗菌能力，并进行了转录组测序分析。主要技术方法包括：静电纺丝制备膜、自由基聚合合成水凝胶、化学/物理联合脱细胞制备dECM；表征手段涉及SEM、TEM、XRD、XPS、水接触角、压电测试、粘附测试、爆破压力测试；细胞实验采用划痕、Transwell、EdU、管形成、流式细胞术、Western blot、钙成像；体内实验包括组织学染色（H&E、Masson）、免疫荧光、免疫组化及转录组测序。样本队列来源于大鼠（Sprague-Dawley, SD）和猪跟腱。

研究结果如下：

**2.1 Ag@GO@PHB膜的制备与表征**：通过水热法合成了Ag@GO纳米片，XPS和TEM证实Ag纳米颗粒均匀负载于GO上。静电纺丝制备的Ag@GO@PHB膜在10 wt% Ag@GO时纤维均匀，压电输出在0.8 W/cm2 US下最强且可重复，降解时间约8周。

**2.2 PAMB-G水凝胶的制备与性能**：PAMB-G 2配方在导电性、粘附强度（3.4 kPa）、爆破压力及酸性湿环境中密封性能最优，且能有效粘附于多种组织。

**2.3 dECM支架与三层生物粘合剂的制备与表征**：dECM保留了胶原（COL1A1为主）且DNA含量<50 ng/mg，结构多孔，支持L929细胞3D培养。Micro-CT证实三层结构完整。

**2.4 体外和体内生物相容性评价**：所有材料无细胞毒性、溶血率<5%，皮下植入4周后主要器官无病理变化，血液学及生化指标正常。

**2.5 抗菌性能评价**：Ag@GO@PHB在US激活下对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率显著提高，通过Ag+释放和压电效应协同破坏细菌膜及生物膜，0.8 W/cm2为最优强度。

**2.6 成纤维细胞和胃上皮细胞的迁移与增殖**：dECM联合US激活的压电刺激显著促进了L929和GES-1细胞的划痕愈合、Transwell迁移、EdU阳性率及CCK-8增殖，并增强HUVEC管形成能力。

**2.7 巨噬细胞极化和细菌吞噬**：US激活的Ag@GO@PHB诱导BMDM形态铺展、ROS升高、吞噬能力增强，并促进M1极化（CD86+、iNOS表达升高）。

**2.8 通过Piezo1-Ca²⁺通路的细胞功能**：压电刺激通过Piezo1通道介导Ca²⁺内流，在成纤维细胞中激活CaMK II和PI3K/AKT通路，在巨噬细胞中激活CaMK II和Mst1/2（Mob1）通路。GsMTx4和siPiezo1验证了关键作用，6 min US为最佳刺激时长。

**2.9 超声响应压电生物粘合剂的体内应用**：在胃穿孔模型中，生物粘合剂/US组于15天实现全层愈合，组织学显示黏膜完整、胶原沉积有序、CD86早期升高、CD206晚期升高、CD31血管密度增加，且体重恢复更快。在CLP模型中显著降低腹腔细菌负荷。在小肠穿孔模型中类似结果，14天Hoàn thành愈合。在胰瘘模型中减少腹腔渗出和淀粉酶/脂肪酶水平。dECM具有止血能力。

**2.10 超声压电处理的转录组效应**：胃和肠组织转录组分析显示，生物粘合剂/US组上调了3135和1843个基因，富集于细胞增殖、ECM重塑、血管新生相关通路，PI3K-AKT通路显著富集。Western blot验证了Piezo1-PI3K-AKT轴激活，qPCR验证了Piezo1、Egr2、Igf1、Pdgfra、Col1a1、Vwf上调。

**总结讨论**：该研究系统揭示了压电刺激通过Piezo1-Ca²⁺通路同时调控成纤维细胞（促进增殖）和巨噬细胞（增强免疫）的分子机制，实现了组织修复与抗菌的协同。三层结构设计确保了快速密封、导电传输和再生支持。体内实验证实了其在多种胃肠道穿孔模型中的有效性和安全性，提示临床转化潜力。

**研究结论翻译**：为实现胃肠道穿孔的综合治疗策略，本研究开发了一种具有协同多功能特性的三层生物材料。最外层由Ag@GO@PHB压电纳米纤维膜组成，在超声激活下产生局部电刺激，激活巨噬细胞和成纤维细胞中Piezo1通道，从而增强抗菌免疫反应和组织再生功能，同时调节局部免疫微环境。同时，Ag+离子释放与压电刺激协同提供物理-化学联合抗菌作用。中间层由PAMB-G导电水凝胶组成，具有优异的组织粘附性、可靠的机械密封能力和高导电性，确保快速稳定封闭穿孔，并将压电电信号高效传输至周围组织。最内层dECM保留了丰富的胶原结构，提供支持细胞粘附、增殖和组织重建的仿生微环境。体内研究表明，在超声激活下，该三层生物材料有效封堵了胃肠道穿孔，抑制了感染，促进了组织再生和血管新生，实现了强大的协同治疗效果。总之，这种三层压电复合材料为治疗胃肠道穿孔及相关急性腹部损伤提供了一种创新性集成解决方案，显示出显著的临床转化潜力。