今日Nature: MIT赵选贺首创人体双面胶,5秒粘合组

江苏靖江资讯网快看2019-11-08 12:1646





全球每年要进行2.3亿场以上的大型外科手术。在外科手术中,医生大多通过手术缝合线(或手术缝合针)实现伤口闭合及组织连接。手术缝合需要熟练的医生操作,但仍然可能造成组织再创伤、疼痛、发炎以及结疤。另外,用手术缝合线(针)连接的结肠、食道、呼吸道和肺等组织和器官,有高达30%的再次泄漏的风险。在美国,接合手术的二次泄漏每年导致各类患者数十亿美元的损失。因此,亟待研发一种可靠的人体组织接合手段。生物胶水具有替代和辅助手术缝合线(针)的潜力,但是现有的生物胶水尚存在粘接强度低、粘接速度慢、生物相容性差、与组织力学性能不兼容、不方便保存使用等缺陷。




MIT赵选贺团队首创人体双面胶 (tissue double-sided tape),在5秒内强力粘合体内各种软湿组织以及植入设备,长期保持高粘接强度、高柔韧性、高生物兼容性,最终生物降解。活体动物实验显示人体双面胶有望替代手术缝合线(针),简单快速的粘合人体组织以及向体内植入医疗设备。另外,人体双面胶是固态胶带,非常方便保存和使用。


北京时间2019年10月31日,论文以“Dry double-sided tape for adhesion of wet tissues and devices”为题发表在Nature 杂志上




MIT官方介绍




人体双面胶粘接机理


MIT赵选贺团队首次提出干燥交联(dry-crosslinking)的机理用于快速坚韧粘结各种潮湿表面(wet adhesion)。粘接潮湿表面的主要困难在于材料表面水分对表面之间相互作用的干扰。传统生物胶水基于粘附分子(通常是高分子)在水分中的扩散实现组织粘接,需要至少数分钟才能起效。相比之下,人体双面胶能在5秒钟之内吸收潮湿组织表面的水分,同时与组织形成物理键和共价键的交联(图一)。在吸水后,双面胶变成一层柔软、坚韧、生物兼容的水凝胶,保持坚韧粘结几天到数月。








图一: 传统生物胶水(左)基于扩散交联机理,而人体双面胶(右)基于干燥交联机理


人体双面胶的形态特性








图二: 人体双面胶的形态特征(左)、形变能力(中)及拉伸应力应变曲线(右)




人体双面胶为薄膜形态,具有优异的形状适应能力,可贴附在任意形状的人体器官和组织表面。根据使用目的不同,人体双面胶可加工为常规贴片、多孔贴片及胶带卷等不同形态。在水凝胶状态下,人体双面胶的剪切模量为2.5~5kPa,同时还能伸展为初始长度的16倍,足以匹配各种人体软组织的柔性与可伸展属性(图二)。




人体双面胶的粘附性能






图三: 人体双面胶与多种商业化产品的粘附性能对比




人体双面胶实现了强力、快速与持久稳定的粘附性能。在轻柔的施加压力(1kPa)下,人体双面胶能在5秒内与潮湿的皮肤产生高达120kPa的剪切强度和710Jm-2的粘接韧性。人体双面胶能在动态条件下与皮肤、肌肉、心脏、肝脏、胃肠等各种类型的器官粘接;除此之外,能够和诸如水凝胶、硅胶等软材料以及塑料、金属等多种硬材料粘接。人体双面胶的粘接性能远超出已知的生物胶水,后者包括基于氰基丙烯酸酯(Cyanoacrylate)、白蛋白(Albumin)、聚乙二醇(Polyethylene glycol)、纤维蛋白(Fibrin)等多种商业化产品(图三)。




双面胶与不同材料粘接




人体双面胶的生物


相容性与可降解性


赵选贺团队和 MIT Ellen Roche团队合作,将载药的心脏贴片在5秒钟内粘附在活体小鼠跳动的心脏上,并保持在跳动的心脏上牢固粘附数天。人体双面胶比现有的缝合心脏贴片的方法快速简单高效,并且避免了缝合造成的创伤。将人体双面胶植入小鼠背部皮下2周后,未出现不良反应,炎症反应水平达到美国食品药品监督管理局(FDA)批准上市产品的标准。此外,人体双面胶在体内外可以完全降解。根据应用目的不同,赵选贺团队通过调节人体双面胶的成分比例,可在数日、数周以及数月之内调整人体双面胶的降解速率。








小鼠心脏粘接




人体双面胶的可能应用


赵选贺团队进一步展示了人体双面胶的多种可能应用。人体双面胶能协助外科医生完成切口密封以及帮助伤口愈合。特别地,和手术缝合线相比,人体双面胶针对相对柔软、脆弱的肺及气管等器官表现出明显优势,且能够规避手术缝合不完善造成的胃肠泄漏问题。其次,由于人体双面胶适用于组织之外的多种材料,可用于向人体植入多种医疗器件,包括心脏等器官的修复器件、健康监控设备、药物缓释载体等。和传统的缝合手段相比,人体双面胶易于操作、有效避免伤害器官并导致并发症的风险。




不同应用场景




模型指导设计人体双面胶


赵选贺团队的毛新宇同学开发了人体双面胶吸水的物理模型。根据不同组织器官的含水量,可以预测双面胶的吸水量和吸水时间。该模型指导赵选贺团队,针对不同组织器官,设计不同性能和厚度的双面胶,保证5秒钟内干燥潮湿表面,实现快速坚韧粘结。


大家点评


哈佛医学院的组织工程学和生物3D打印专家Shrike Zhang教授评教此工作:


“This is an excellent innovation by Professor Zhao's team, which essentially lies in a very simple yet extremely effective concept of double-sided tissue adhesive. It fundamentally deviates from how bioadhesives are traditionally designed and implemented -- instead of starting wet, this double-sided tape begins dry and thin. Intriguingly, such fundamental deviation lands beautifully on a fundamental improvement as well -- as soon as the tape is applied at the target wound site, the wetting process that simultaneously removes water molecules from the tissue surface induces almost instantaneous strong physical bonding, which overtime, transitions into stable chemicalbonding through the built-in reactive groups as the swelling of the tape continues to develop into a piece of biocompatible, biodegradable, water-rich hydrogel. The formed hydrogel, due to its double-network nature, stays mechanically robust leading to perfect sealing of the wound until it heals. I pleasantly anticipate tremendous translational potential of this elegant approach into various clinical practices as well as basic engineering applications, in particular in situations where surgical operations, such as suturing, are not straightforward.


法国 ESPCI的主任、粘合学专家Costantino Creton评价人体双面胶:


“Combining two innovative concepts, the research team succeeded in adhering quickly and effectively to the wet and soft surface of a tissue, and in maintaining good adhesion and mechanical properties for several days without causing too much inflammatory response.”


作者展望


人体双面胶基于新型的干燥交联机理,能够迅速并强力地粘合多种体内组织及医疗器械,长期保持高粘接强度、高柔韧性、高生物兼容性,最终生物降解。因此和传统的生物胶水相比具有巨大的潜力,是一种替代手术缝合线的潜在手段。人体双面胶具有优异的粘接性能、柔性、生物相容性、可降解性以及长久储存的能力。除此之外,人体双面胶在生物支架、药物缓释、可穿戴及可植入医疗器件领域提供了新的机遇。人体双面胶的干燥交联机理同时为发展下一代可用于潮湿环境及水下的新型粘接材料指出了新的方向。




团队介绍


该工作由MIT赵选贺团队主导完成。通讯作者赵选贺博士是MIT终身教授。该工作的第一作者是赵选贺团队的博士生Hyunwoo Yuk及MIT博士生Claudia E. Varela。其他作者包括Christoph S. Nabzdyk、Xinyu Mao、Robert F. Padera和Ellen T. Roche等。


MIT赵选贺团队(http://zhao.mit.edu)专注推动软材料和人机共融科技,最近的成果包括:


机理研究


  • 首次提出干燥交联(dry-crosslinking)机理,用于粘合各种潮湿表面(wet adhesion)。发明人体双面胶(tissue double-sided tape),能够在5秒内粘合软湿组织器官和植入设备,并保持长期坚韧、柔软且生物兼容。Nature (2019)

  • 首次提出水凝胶超韧粘结 (tough adhesion)的机理并实现与各种材料的超韧粘结 Nature Materials, 15, 190 (2016)

  • 首次提出3D打印铁磁软材料和软机器 Nature, 558, 274 (2018)

  • 首次提出坚韧水凝胶高弹体聚合物(tough hydrogel-elastomer hybrid)并实现不干水凝胶 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 7, 12028 (2016)

  • 首次实现超高抗疲劳断裂(anti-fatigue-fracture)水凝胶 Science Advances, 5: eaau8528 (2019);PNAS,116 (21) 10244-10249 (2019)

  • 首次提出3D打印超韧超弹水凝胶的方法并打印各种载细胞的超韧超弹水凝胶结构 Advance Materials, 27, 4035 (2015)
  • 首次提出可重复折叠大面积石墨烯 Nature Materials, 12, 321 (2013)
  • 首次发现并解释电致褶皱(electro-creasing)和电致空穴(electro-cavitation)现象 Physical Review Letters, 106, 118301 (2011); Nature Communications, 3, 1157 (2012).

应用研究


  • 首创铁磁软体导丝机器人,并遥控巡航复杂血管网络 Science Robotics, 4, eaax7329 (2019)

  • 首创可食用水凝胶电子并用来长期监测核心体征 Nature Communications, 10, 493 (2019)
  • 首创可拉伸水凝胶电子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)
  • 首创液压水凝胶驱动器和机器人 Nature Communications, 8, 14230 (2017)
  • 首创超高拉伸水凝胶光纤 Advanced Materials, 28, 10244 (2016)
  • 首次实现各种医疗仪器上的超韧水凝胶涂层 Advanced Healthcare Materials,6,1700520 (2017); Advanced Materials, 1807101 (2018)
  • 首创并3D打印可拉伸生命器件 (stretchable living devices)PNAS, 114, 2200 (2017);Advanced Materials, 1704821 (2017)
  • 首次应用力学失稳得到人工粘膜 PNAS, 115, 7503 (2018)

综述


  • 定义水凝胶生物电子学(hydrogel bioelectronics) Chemical Society Review, 48, 1642 (2019)
  • 系统阐述水凝胶增强 (high strength)的机理 Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 8138 (2017)
  • 系统阐述多种水凝胶增韧(high toughness)的机理 Soft Matter, 10, 672 (2014)

点击https://www.nature.com/articles/s41586-019-1710-5查看论文原文。