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多肽强力胶,伤口快愈合 + 贴出双眼皮

外科手术中,出血一直是困扰医生们的难题。当损伤导致创面较大时,往往需要借助缝合等方式,促进组织愈合。然而,缝合过程难以完全封闭伤口,手术后空气、体液的渗漏和外源感染同样不利于伤口愈合。术后由于找不到出血点、难以缝合,甚至造成许多病人因出血过多而无力回天。如果能够找到一款具有生物相容性、高强度且无毒的医用“胶水”,将伤口封闭,这些问题或许能够迎刃而解。


商业化的氰基丙烯酸酯类,如504止血胶(主要成分为α-氰基丙烯酸正丁酯)、508医用胶粘剂(主要成分为α-氰基丙烯酸正辛酯),已应用于创口封闭、器官吻合等临床手术。然而这些“胶水”有一定的细胞毒性,而且在湿表面粘合效果不佳。近年来,有研究者受到贻贝分泌的贻贝足丝蛋白的启发,制备出了蛋白质类生物胶(Adv. Mater.201729, 1703026, 点击阅读详细),不过其粘合强度还有待提高。

贻贝启发的生物胶策略。图片来源:Adv. Funct. Mater. [1]


近日,清华大学刘凯教授、荷兰格罗宁根大学Andreas Herrmann教授等人在Nature Communications 杂志上发表论文,报告了一种生物相容性好且可降解的高粘附强度蛋白质基粘合剂。这种粘合剂由阳离子超电荷多肽(supercharged polypeptides, SUPs)与阴离子芳香族表面活性剂通过静电复合而成,在硬质基材上的最大粘附强度达到 16.5 ± 2.2 MPa,与商用氰基丙烯酸酯强力胶相当,并且比其他蛋白质基粘合剂高出至少一个数量级。这种粘合剂在软组织上也表现出的良好的粘附性能,优于某些商业化的医用产品,还能加快伤口愈合。有趣的是,这种蛋白质基粘合剂的优秀粘附性能并非依赖于共价键的形成,而是依赖于多种超分子相互作用。

蛋白质基粘合剂(SUP胶)的设计示意图。图片来源:Nat. Commun.


阳离子SUPs的灵感来自天然弹性蛋白,基本重复单元为五肽VPGKG,第四位用生理条件下质子化的赖氨酸残基(K)取代。通过大肠杆菌重组表达,产生一系列具有不同重复单元数的多肽骨架,如K18、K72、K144等,数字表示多肽骨架的正电荷数。阴离子芳香族表面活性剂采用十二烷基苯磺酸钠(SDBS),这是一种化妆品中常用的表面活性剂。当SUPs和SDBS以赖氨酸单元与表面活性剂的1:1摩尔比混合后,溶液变得浑浊,发生相分离,离心得到SUP-SDBS聚集物。分离上层清液后,聚集物具有良好的可塑性,定量分析表明赖氨酸单元与表面活性剂的摩尔比为 1:0.9,总体含水量约为42%。

SUP-SDBS聚集物。图片来源:Nat. Commun.


无论是在高表面能的玻璃、钢、铝基底上,还是在聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)等低表面能基底上,SUP胶均表现出和商用氰基丙烯酸酯强力胶类似的断裂强度,最大强度可达16.5 ± 2.2 MPa,且粘合强度随着SUP摩尔质量的增加而增加。生物体实际应用中,往往还要面临潮湿表面的考验。在盐溶液中测量SUP胶的水下粘合强度,比其它报道的蛋白质基水下胶粘剂更高。有趣的是,当接触时间增加到20 min时,SUP-SDBS粘附力明显增强,这可能源自分子在水下重排导致疏水部分暴露,增加了分子之间的相互作用力。

SUP胶的粘附性能测试。图片来源:Nat. Commun.


计算机模拟表明,静电相互作用、阳离子-π相互作用、疏水相互作用和其他相互作用(如氢键等)的贡献率为4:2:1:1。且复合物中存在一定量的水可以加强体系中的相互作用,使赖氨酸残基带正电荷,并通过静电吸引以及阳离子-π相互作用,维持SDBS的胶束结构,这种湿态粘合机制与贻贝足丝蛋白有些类似。

计算机模拟。图片来源:Nat. Commun.


SUP胶的生物相容性良好,24小时后细胞存活率高于90%。此外,SUP胶经弹性蛋白酶处理可实现降解,直接剥离后粘合性能恢复,与原始材料表现出近乎相同的粘合强度。随后,研究者利用SUP胶对猪心脏、肌肉、肝脏和皮肤等组织进行粘合,最高粘附能可达260 ± 110  J  m−2。并随后应用于大鼠肝脏、猪肝、猪肾和猪心等出血情况中,SUP胶能完全封闭损伤组织,5分钟内达到止血效果。

组织粘合性能测试。图片来源:Nat. Commun.


SUP胶还具有促进伤口愈合的能力,8天的对比实验中,SUP胶治疗的大鼠几乎看不到疤痕,伤口面积仅剩余4%,优于缝合组和市售粘合剂组。研究者认为,SUP胶可能与巨噬细胞或其他抗原呈递细胞相互作用,促进伤口组织周围炎性细胞因子和趋化因子的分泌,从而促进了伤口愈合。

SUP胶促进伤口愈合机理。图片来源:Nat. Commun.


除了手术后的组织再生、创口愈合、止血修复作用外,SUP胶或许还可以在美容护肤中发挥作用。比如研究者尝试了将其作为双眼皮贴,据说佩戴一天12小时都不会刺激皮肤,佩戴后用自来水清洗即可。说着说着怎么突然有点心动了呢~

“双眼皮贴”应用。图片来源:Nat. Commun.


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Ultra-strong bio-glue from genetically engineered polypeptides

Chao Ma, Jing Sun, Bo Li, Yang Feng, Yao Sun, Li Xiang, Baiheng Wu, Lingling Xiao, Baimei Liu, Vladislav S. Petrovskii, Bin Liu, Jinrui Zhang, Zili Wang, Hongyan Li, Lei Zhang, Jingjing Li, Fan Wang, Robert Gӧstl, Igor I. Potemkin, Dong Chen, Hongbo Zeng, Hongjie Zhang, Kai Liu & Andreas Herrmann

Nat. Commun., 202112, 3613. DOI: 10.1038/s41467-021-23117-9


导师介绍

刘凯

https://www.x-mol.com/university/faculty/270436 


参考文献:

[1] C. Xie, et al. Mussel-Inspired Hydrogels for Self-Adhesive Bioelectronics. Adv. Funct. Mater., 202030, 1909954. DOI: 10.1002/adfm.201909954


(本文由小希供稿)


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