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前面。Biomater。科学。,03 November 2022
秒。生物材料科学再生疗法
卷1 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fbiom.2022.1046123

使用细胞外基质作为bio-glue伤口修复的手术

英杰周 ¹ ^__, www.雷竞技rebatfrontiersin.org

李唐² ^__, www.雷竞技rebatfrontiersin.org

金美^1、3*和

Shengxiang道⁴*

¹生物材料研究所、宁波市第一医院、宁波,中国
²中国武汉,武汉市卫生委员会
³Bioscaffold移植和免疫学研究所温州医科大学、温州,中国
⁴骨科创伤和显微外科学系,武汉大学中南医院,武汉,中国

Bio-glues正在取得进展在医学研究关闭伤口和抵抗感染。其中,最有前途的bio-glue是由天然材料(纤维蛋白、明胶、多糖等)。大多数这些材料是细胞外基质(ECM)成分,具备优良的生物相容性、生物降解性和机械强度,促进伤口修复。然而,没有研究,利用脱细胞材料bio-glues做准备。外伤口密封剂,方法利用ECM支架促进组织修复显示巨大的潜力。实验,它是未知的,如果ECM bio-glue可以成功转换,单独或结合自然生物材料。在本文中,我们概述第一次尝试使用ECM的潜在bio-glue伤口修复的手术做准备。

1介绍

皮肤伤口或晚关闭术后伤口可以引起严重的并发症。例如,伤口感染,电解质失衡,体内炎症反应,和疤痕,患者和社会(将一个巨大的负担赵et al ., 2016;达利瓦和洛佩兹,2018;杨et al ., 2020)。常见的干预伤口闭合手术缝合线(布什和到了2007人;Prabha et al ., 2021)。虽然手术缝合伤口修复过程中取得了令人满意的结果,他们越来越无法满足现代临床实践的需要,随着医学的发展。例如,伤口不能立即关闭关闭与传统方法,这可能会造成二次伤害,伤口缝合切除和加重感染。此外,这些伤在相对隐蔽的位置不能被有效地关闭了,强烈要求医生的手术技巧。正在调查不同的实验处理策略,促进创伤后复苏,与bio-glue最常见的方法(铃木et al ., 2014;王et al ., 2018;Pandey et al ., 2020;陆et al ., 2021)。

生物医学材料是用于创伤方法更换或恢复损坏或丢失的解剖结构和功能组织任何伤害或疾病后结合生物材料与细胞或生物活性分子的地形因素(谭et al ., 2021)。Bio-glue用于创伤修复往往来源于特定的细胞外基质(ECM)分子(如。纤维蛋白(Kalsi et al ., 2017),胶原蛋白(Schiele et al ., 1992)、透明质酸(罗et al ., 2020)或其他天然聚合物(如。、明胶/海藻酸(歌et al ., 2022)、壳聚糖(陆et al ., 2018)或合成聚合物(如。cyanoacrylate (卡瓦略et al ., 2021)、聚氨酯(赵et al ., 2021)、聚乙二醇(Privett et al ., 2021)]。虽然天然和合成聚合物被广泛使用作为组织粘合剂、使用ECM bio-glue罕见(Nishiguchi田口,2021年;Yazdanpanah et al ., 2022)。然而,ECM材料用于组织工程(如。周围神经(金正日et al ., 2004)、肺(Ohata奥特,2020)、肾(Sobreiro-Almeida et al ., 2021),肝脏(侯赛因et al ., 2020)、皮肤(狼et al ., 2012)表现出了极好的前景。

在本文中,我们描述了一些组织粘合剂在医学领域的发展趋势和关注这些组织粘合剂的粘附机制。同时,我们将讨论可行性准备bio-glue ECM的过程获得的去细胞和促进伤口修复的可能性。

2 bio-glue的分类和研究结果

理想bio-glue应该拥有优势的生物相容性,生物降解能力,出色的机械强度和粘合强度(彭和石,2010年)。近年来,研究人员已经开发出了几种bio-glues使用天然或合成材料如纤维蛋白粘合剂、明胶粘合剂、多糖粘合剂、cyanoacrylate胶粘剂、聚乙二醇胶粘剂、聚氨酯胶粘剂等。

2.1自然组织粘合剂

2.1.1纤维蛋白

纤维蛋白,可溶性糖蛋白在等离子体中,被广泛研究手术止血代理(Mandell纪伯伦,2014),组织工程(李et al ., 2015;这et al ., 2017),药物输送系统(Spicer和巫女,2010)由于其独特的生物学性能。典型的纤维蛋白胶由纤维蛋白原、凝血因子十三世,对含钙凝血酶和纤溶组件(如肽)。凝胶的原理模拟凝血级联的最后一步(Mankad odispoti, 2001;穆尼et al ., 2009),可以概括如下:在凝血酶的存在,纤维蛋白原转化为纤维蛋白,十三被转换为XIIIa凝固因素。最后,纤维蛋白交联的XIIIa凝固因素。

纤维蛋白封闭剂已经使用了几十年的组织粘合剂在手术止血自1940年代第一净化和准备。目前,食品和药物管理局(FDA)已许可TISSEEL^®,阿提斯动物园^®,腔内修复术^®,FloSeal^®和TachoSiL^®(阿尔斯通et al ., 2008;Guzzo et al ., 2009;海丝特et al ., 2013;Kuschel et al ., 2013;DeAnglis et al ., 2017)。这些纤维蛋白胶中经常使用结合传统缝合治疗心血管疾病的严重出血,妇科、泌尿和整形操作。一般而言,这些产品是安全有效的,很少有不良反应报道。

纤维蛋白粘合剂广泛用于临床实践,但仍存在一些问题,需要解决Beudert et al ., 2022)。首先,他们从人血浆分离,这使得他们更昂贵的比合成材料。第二,相关疾病的潜在传播血液制品可能会带来严重的安全风险。此外,纤维蛋白粘合剂附着力较差和机械强度不足只是用于表面伤口闭合,而不是在潮湿的生理环境中充满了血液和组织液。因此,纤维蛋白粘合剂只能作为一个辅助等传统的伤口缝合方法在许多手术缝合线或主食(Mandell纪伯伦,2014)。

2.1.2明胶

明胶是一种高分子亲水胶体,是部分水解胶原蛋白的产品(ECM)的一个重要组成部分。目前,它已经被广泛应用于bio-glue (Thirupathi库马拉拉贾et al ., 2013)、伤口敷料(Gaspar-Pintiliescu et al ., 2019),组织工程(阿加瓦尔et al ., 2016)因其良好的生物相容性。当准备生物胶,明胶必须通过交联形成网络结构在生理环境中保持稳定。例如,与醛反应后,更有凝聚力。

Gelatine-Resorcine-Formaline(平)是一个基于明胶医疗组织的粘合剂,它由两部分组成:1)明胶/间苯二酚混合物;2)甲醛或甲醛/戊二醛混合。它是由明胶的缩聚反应的氨基链间苯二酚和醛组。与此同时,醛基与组织化学结合表面,形成公司连接(艾文et al ., 2010)。然而,甲醛的毒性限制了其临床应用(的巨大et al ., 1999;田中et al ., 2017)。

上面的缺点,研究人员改善明胶的生物相容性photo-crosslinking (Shin et al ., 2016)。明胶甲基丙烯酰氯(GelMA)水凝胶是由修改明胶与甲基丙烯酰氯团体,其粘附性能可以通过调整优化的取代度,预聚物浓度,photo-initiator浓度,优于纤维蛋白胶,聚乙二醇胶(阿斯曼et al ., 2017)。赵et al。(赵et al ., 2022)开发了一种光固化bio-adhesive水凝胶是由明胶甲基丙烯酰氯和氧化葡聚糖suture-less角膜移植术。Seung Bae Ryueet al。(Ryu et al ., 2022)研究了不同浓度的氧化石墨烯(去)明胶水凝胶的物理化学性质,特别是在组织粘连的力量,由gelatin-based enzyme-catalyed交联水凝胶。身子并严et al。(燕et al ., 2022)开发了一种mussel-inspired艰难和粘性polydopamine / gelatin-polyacrylic酸(PDA / Gel-PAA)复合水凝胶为软骨再生。获得的水凝胶的抗压强度高韧性0.67 MPa和420 J / m²具有良好的biofunctionality。

2.1.3多糖

多糖是一类含有碳水化合物,其分子链单糖分子包括壳聚糖、硫酸软骨素、透明质酸(弗朗西斯Suh和马修,2000)。的主要驱动力多糖水凝胶凝胶分子间氢键和分子间相互作用。在多糖胶的制备,研究人员倾向于修改链上的官能团提高水凝胶的附着力,因为它们的化学结构决定其粘附机制。

壳聚糖不溶于中性、碱性pH值的解决方案和有机溶剂。为了提高溶解度,方法是化学修饰壳聚糖获得衍生品如羧甲基壳聚糖、乙二醇壳聚糖和壳聚糖酯。壳聚糖及其衍生物已经吸引了广泛关注领域的组织粘合剂因其优异的抗菌性能(贾古玛et al ., 2011;Amoozgar et al ., 2012;利马et al ., 2018)。瓦希德et al。(瓦希德et al ., 2017)报告了一个金属离子交联羧甲基壳聚糖超分子水凝胶具有良好的抗菌活性大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。此外,壳聚糖及其衍生物也促进组织修复(道et al ., 2013)。乙二醇壳聚糖修改3 - (4-hydroxyphenyl)丙酸形成酚组和由蓝色光辐照交联钌(俄文)的催化下形成凝胶,具有组织粘连和伤口修复的特点(陆et al ., 2018)。Qingcong魏et al。(魏et al ., 2022)设计和准备一系列良好的性能光诱导的席夫碱交联水凝胶由Diels-Alder (DA)官能团之间的反应接枝羧甲基壳聚糖(cmc)和光敏聚乙二醇(PEG)交联。

硫酸软骨素(CS)是一个硫酸多糖,广泛分布于动物组织的细胞外基质和细胞表面。CS的主要连锁反应网站,可以有多个化学改性引入官能团。研究人员已经开发出一些医学组织粘合剂基于硫酸软骨素(Strehin et al ., 2010;汉et al ., 2018;Shin et al ., 2021)。CS是软骨细胞外基质的主要成分,可以保持软骨细胞的功能,因此广泛应用于软骨修复。受贻贝化学,汉族et al。(汉et al ., 2018)设计了一个polydopamine-chondroitin sulfate-polyacrylamide (PDA-CS-PAM)水凝胶组织粘性和极好的力学性能growth-factor-free软骨再生。汉福et al。(傅et al ., 2021)描述了一个简单的双交联制备ECM战略模仿水凝胶具有良好的整体性能通过可逆的硼酸酯键基于硫酸软骨素和明胶为一个单一的交联水凝胶。光聚合与thiol-containing聚乙二醇(PEG)的交联剂是由迈克尔加成进一步提高交联反应或可见光。

透明质酸(HA),唯一non-sulfated多糖,是一个重要的组成部分,ECM和在伤口愈合中起着重要的作用,细胞活性、血管生成、细胞信号(Allison Grande-Allen, 2006)。作为一种生物材料,它已经研究了几十年止血和抗炎调味(Sakoda et al ., 2018;保et al ., 2020;金正日et al ., 2020;胡锦涛等人。,2021年)。Sakoda止血中的应用et al。(Sakoda et al ., 2018)已经开发出一种新型水凝胶止血剂与无机共轭多磷酸盐(息肉)。HA-PolyP止血迅速水凝胶形成的混合aldehyde-modified HA和息肉hydrazide-modified公顷共轭。至于它的抗炎特性,金姆et al。(金正日et al ., 2020)报道组织粘合剂和抗炎的高亲和性由多酚酶交联水凝胶由儿茶素没食子酸盐(egcg),这可能为临床应用提供一个健壮的组织粘合剂平台。特别是HA水凝胶成功关闭了皮肤伤口并显示无关紧要的宿主组织反应。此外,HA水凝胶表现出最高的组织粘性在潮湿和干燥条件。

2.1.4蚕丝蛋白

蚕丝蛋白(SF)是一种天然高分子纤维蛋白提取丝绸,含有18种氨基酸,其中甘氨酸(g)、丙氨酸(Ala)和丝氨酸(Ser)占总成分的80%以上。丝素蛋白具有良好的机械和物理化学性能,如良好的柔韧性和抗拉强度、渗透性和水分,缓慢释放,等等,不同形式和纤维一样,可以获得解决方案,粉、膜和凝胶didderent治疗后(郑,左,2021年)。丝蛋白已经准备为临床应用bio-glues。Rumeysa Tutaret al。(Tutar et al ., 2022)合成生物相容性和photocross-linked眼部组织从蚕丝蛋白粘合剂复合水凝胶角膜损伤。自楚阴et al。(阴et al ., 2021)准备dopamine-modified科幻一类使用genipin作为交联剂。

2.2合成组织粘合剂

2.2.1 Cyanoacrylate

Cyanoacrylate液体组织粘合剂在手术60多年了。在几秒钟内迅速聚合形成的化学键与蛋白质(联系时保et al ., 2020)。其释放热量在聚合过程中很容易造成二次伤害。值得注意的是,最初的cyanoacrylates,主要包括甲基乙基研究进展和研究进展,具有细胞毒性而表现出很强的组织粘连(埃文斯et al ., 1999;Setlik et al ., 2005;酋长,2007;Cannata et al ., 2009;哈比卜et al ., 2013)。为了解决这个问题,研究人员提高了生物相容性通过优化cyanoacrylate,以便它可以进一步用于临床实践。目前,cyanoacrylate粘合剂中常用诊所辛基研究进展和丁研究进展(加西亚Cerda先生et al ., 2015;Lim和金,2015年;Kiaii et al ., 2022)。

2.2.2聚氨酯

聚氨酯(PU)粘合剂的合成是基于异氰酸酯的独特的化学性质,具有高弹性和附着力强。异氰酸酯形成强烈的肽债券与氨基反应组织蛋白质组(Mehdizadeh和阳,2013年)。聚合的N, N′carbonylbis(己内酰胺)(CBC)和多元醇催化醇化物形成交联聚(ester-urea)通过开环加成反应。机械性能、生物相容性和降解行为的CBC / polyol-based聚合物使其广泛应用于生物医学应用程序(齐默尔曼et al ., 2004;林et al ., 2013)。周et al。(周et al ., 2015)开发了一种catechol-functional聚氨酯共聚物(一些)的粘附和生物降解性。焊接铝材料后进行搭接剪切测试时,他们发现一个键的强度接近1 MPa。随着进一步的氧化交联剂,搭接剪切粘结强度增加到2.4 MPa。更重要的是,他们是无毒在体外和在活的有机体内(Stakleff et al ., 2013)。赵et al。(赵et al ., 2021)准备一个快速原位胶凝的贻贝聚氨酯胶粘剂(所属)在较弱的条件下,显示出良好的生物相容性和附着力强,复杂的伤口。传真邹et al。(邹et al ., 2022)准备一个新颖的组织粘合剂由精氨酸,可降解聚氨酯(DLPU)和GelMA伤口修复。就其本身而言,美国fda批准的首个聚氨酯胶粘剂TissuGlu医学组织^®准备从三羟甲基丙烷和赖氨酸乙二异氰酸酯,没有有毒副作用,已用于临床实践(吉尔伯特et al ., 2008)。

2.2.3聚乙二醇

盯住组织粘合剂具有快速固化,附着力强,几乎没有炎症反应(李et al ., 2014)。然而,临床应用的挂钩bio-glue非常有限。一方面,由于平衡溶胀率高,它往往导致伤口裂开。另一方面,anti-protein挂钩的属性本身并不有利于细胞粘附,从而阻碍伤口修复(查哈尔et al ., 2018)。

目前,盯住组织粘合剂由化学改性线性或支化分子挂钩。部et al。(Bu et al ., 2019)、琥珀酸环化集团引入挂钩分支控制盯住水凝胶的溶胀率,同时也表现出快速退化和良好的生物相容性。除此之外,水凝胶具有良好的止血能力甚至在抗凝剂的条件下。这些结果表明,优化后的水凝胶可能是一个简单,有效和安全的出血控制密封胶在活的有机体内(谭et al ., 2011)。马修·N乔治et al。(乔治et al ., 2022)开发的水凝胶可调膨胀率、孔隙度和交联密度由交联儿茶酚的官能团和共轭低聚物合成低聚糖(聚(乙二醇)延胡索酸酯)(OPF)。

3 bio-glue粘附机理

组织粘合剂通常是液态或半液态的材料。当应用于组织表面,形成一个强大的界面与组织的互动,从而紧密结合两个衬底表面。到目前为止,科学家们已经提出几种机制来解释组织粘合剂的粘合过程。粘附机制主要包括化学键的形成,机械联锁,仿壁虎吸附、静电作用和氢键。在实际的粘附过程,大多数组织粘合剂主要依靠化学交联,辅以其他粘附机制促进伤口愈合。

3.1化学力

化学键的形成是一个重要的机制,通过这种机制bio-glues坚持组织。有大量的氨基酸残基(如硫醇和氨基)表面的组织。一旦胶注射在组织表面,各种化学键(如共价键、离子键、金属债券)形成的界面,从而关闭伤口。常见的组织之间的化学反应和胶水包括席夫碱反应活性酯反应。

3.1.1席夫碱反应

席夫碱反应是一个过程,一个醛基和一个氨基反应,形成一个动态的债券(图1)。研究人员设计的几个组织粘合剂伤口密封的席夫碱反应(杨et al ., 2016,2017年;徐et al ., 2018)。目前,bio-adhesives基于复合bio-glue通常席夫碱反应。因为复合bio-glue可以弥补水凝胶网络的不均匀分布引起的席夫碱反应。

图1

图1。席夫碱反应交联机制的原理图。允许转载的大分子生物科学量化这些活动Mohammadreza麦迪扎德,剑,设计策略和应用程序的组织bioadhesives,页271 - 288。版权(2013)约翰·威利和儿子。

Unalet al。(Unal et al ., 2021)使用弹性多肽(mELP)和甲基丙烯酰氯明胶(GelMA)形成一个复合弹性组织粘合剂(图2 a, B)。迈克尔加成反应之间的甲基丙烯酰氯烯烃胶粘剂和伯胺表面周围的维管组织允许强烈坚持皮肤表面的水凝胶(图2 c)。弹性GelMA / mELP复合胶达到理想的力学性能和粘附血管,而纯GelMA胶表现出优越的附着力增加刚度和减少成本的可扩展性(图2 d, E)。庞et al。(彭日成et al ., 2020)结合甲壳素nanowhiskers (CtNWs)与羧甲基壳聚糖和葡聚糖醛席夫碱反应水凝胶的设计一个机械增强组织粘合剂。更重要的是,添加CtNWs显著增加组织粘连的复合水凝胶。

图2

图2。体外血管内吻合模型和剪切试验。(一)实验设置。(B)3 d拟议中的两个glue-based系统的示意图。(C)两个颈段粘在一起;吻合过程是完整的,一根导管插入(左)。周围的胶密封的区域吻合和防止流体泄漏;动脉不能轻松拉开(中心)。使用这个体外动脉吻合模型,既扩大了四到六倍直径胶系统失败和破裂之前(右)。(D)应用胶的剪切强度猪颈动脉。(E)的动脉内的压力达到最大体外血管内吻合模型,收缩压相比,人类在不同的阶段。允许转载的生物工程与转化医学,Gokberk Unal,杰西·琼斯,今年Baghdasarian Naoki Kaneko伊桑·Shirzaei萨尼,Sohyung李,日本岛Gholizadeh, Satoshi Tateshima Nasim Annabi、工程弹性密封剂基于明胶和Elastin-like多肽血管内吻合术。版权(2021)约翰·威利和儿子。

3.1.2活性酯反应

活性酯反应是指在聚合物的侧链羧基,而这与伯胺反应小组组织表面后形成酰胺键激活N-hydroxysuccinimide (NHS) (图3 h)。

图3

图3。CS-NHS与一级胺的反应——(NH挂钩₂)₆和蛋白质的组织形成一个共价键束缚水凝胶组织。(模拟)的解决方案——(NH挂钩₂)₆(颜色的蓝色染料)和CS-NHS(明确解决方案)混合形成水凝胶。(E)相同的水凝胶没有染料(明星)软骨缺损后11天PBS的肿胀。NHS活化羧基CS-NHS组(F)反应的主要胺- (NH挂钩₂)₆(G)和蛋白质的主要胺组织(H,活性组圈)。形成酰胺债券的新债券。(H)材料接触组织前(左)和后(右)已经与主胺发生反应。NHS = N-Hydroxysuccinimide;盯住=聚(乙二醇);c =硫酸软骨素。允许转载的生物材料,Iossif Strehin Zayna -纳哈斯,卡鲁恩河Arora,涛阮,Jennifer Elisseeff多功能pH敏感软骨素sulfate-PEG组织粘合剂和水凝胶,页2788 - 2797。爱思唯尔版权。

Strehinet al。(Strehin et al ., 2010国民健康保险制度)用来激活侧链上的羧基的硫酸软骨素(CS)获得CS-NHS。然后,使用聚乙二醇(PEG (NH₂)₆)作为交联剂,水凝胶胶(CS-PEG)共价结合蛋白质组织通过酰胺键(图3 g)。软骨组织材料的粘附强度是大约10倍的纤维蛋白粘合剂和有许多潜在的生物医学应用。此外,太阳et al。(太阳et al ., 2020)设计了一个挂钩/ TA多功能胶注入能力的特点,即时修复,和持久的附着力强,对伤口愈合具有重要意义。

3.2物理力量

物理因素包括应用组织胶的表面组织和聚合物携带水然后慢慢沉浸到对象的组织。当胶水固化的高分子,组织紧紧地粘在一起。这个过程可以大致分为三股势力,范德华力、氢键、静电力。

3.2.1机械联锁

机械联锁意味着胶粘剂材料渗透通过微观孔隙的表面和机械联锁或违规行为在衬底表面(图4)。全et al。(全et al ., 2019)准备一块双层保税微针(MN)在水凝胶的形式,由肿胀贻贝粘附蛋白(地图)和non-swollen丝纤连蛋白(图4一)。微针技术可以用来修复组织以微创的方式有一个很大的接触面积与组织(图4 d, E)(杨et al ., 2013;马、吴,2017年)。在实验中,平滑的锥形针可以插入组织在干燥(刚性)状态最小化所需的力量穿透组织。与水接触后,提示扩展,和横截面积迅速增加,导致局部组织的机械联锁和变形(图4 b, C)。MN补丁胶粘剂各种湿纸巾在体外和在活的有机体内。

图4

图4。制造的双层胶MN补丁剖层具有不同的内容和组织插入功能。(一)亮场、荧光显微图合并为各种DL-MN补丁所捏造的double-casting方法与不同的填充时间地图/公顷prehydrogel背后真空下的解决方案。两层之间的歧视,罗丹明B是加载到科幻prehydrogel解决方案。酒吧= 500μm规模。(B)力-位移曲线和压缩断裂点(箭头所示)地图/公顷SL-MN DL-MN补丁的补丁和60%。(C)最终MN断裂力的地图/公顷SL-MN补丁和60% DL-MN补丁通过压缩测试(n≥5)。(D)刺穿了老鼠的皮肤后插入60% DL-MN补丁和红tissue-marking染料和暴露(E)MN提示60%的锐度DL-MN补丁。比例尺= 1毫米。(解释引用的颜色在这个图的传说中,读者被称为Web版本的这篇文章)。允许转载的生物材料屁股,恩年轻的全,Jungho Lee Ju Kim Kye Il Joo) Kim Ki Hean Geunbae Lim Hyung俊Cha仿生剖hydrogel-forming双层胶微针蛋白质内部/外部再生手术关闭。版权(2019)爱思唯尔。

3.2.2仿壁虎吸附

壁虎的能力迅速爬垂直的表面激发研究人员发现其可逆附着背后的潜在机制。实验证据证实(秋天et al ., 2000;夸克et al ., 2011),壁虎的附着力策略依赖于一个拦路强盗组成的刚毛,拦路贼之间的联系所产生的粘附力和相对表面(范德瓦尔斯力所致)是壁虎坚持足够的垂直或反向的表面。附着力强,但临时这样壁虎的脚可以快速分离和坚持在运动。李et al。(李et al ., 2007)创建了一个nanofabricated聚合物阵列组成的混合组织胶覆盖着一层薄薄的模仿贻贝粘附蛋白的合成聚合物。纳米聚合物的粘附阵列可以在潮湿的条件下增加了近15倍。系统一直保持强大的附着力性能测试超过1000接触周期在干燥和潮湿的条件。它结合了壁虎的特点和贻贝粘合剂可逆附着在任何环境中各种各样的表面。

3.2.3静电相互作用

生物组织表面的分子组成,与大量的积极的还是消极的指控,极性或非极性团体非常复杂。因此,积极的还是消极的带电表面组织倾向于吸引电荷相反粘合剂。壳聚糖是一种阳离子多糖,通过静电力与带负电荷的表面组织,但是力量很弱(Ryu et al ., 2011)。基于这种粘附机制,科学家们提高了房地产通过添加其它聚合物,然后发明了一种基于壳聚糖复合胶粘剂。

荣格et al。(荣格et al ., 2021)建立了壳聚糖/聚乙二醇水凝胶,力学性能有所改善原位用辣根过氧化物酶(合)反应。挂钩的影响揭示了壳聚糖水凝胶的物理化学性质不同的内容,分子量,几何(线性的,四名武装)挂钩的衍生品。巴拉科瑞斯南et al。(Balakrishnan et al ., 2017)开发了一个原位基于生物聚合物固化粘结剂壳聚糖和葡聚糖。混合两个组件时,凝胶显示良好的附着力和non-cytotoxic。周et al。(周et al ., 2016)使用一种水凝胶由壳聚糖和ε-poly-lysine绑定到神经组织图5 a, B)。水凝胶模仿多糖/自然外膜蛋白结构的矩阵,从而提高兼容性和神经(图5 c, D)。

图5

图5。原理图。(一)通过迈克尔加成凝胶化机理。(B)水凝胶网络的形成。(C)交互在胶粘剂的示意图。(D)神经吻合测试的示意图。允许转载的《生物高分子非政府组织周赵金,一位阳光,Sidi Li Xin侯,Xubo元,小燕元,快速胶凝壳聚糖/赖氨酸水凝胶与增强的散装凝聚力和界面附着力:神经外模仿的特性矩阵为周围神经吻合,页622 - 630。版权(2016)美国化学学会。

3.2.4 Mussel-inspired吸附

海洋贻贝,如紫贻贝、厚壳贻贝,和宁静的贻贝,解决多个固体表面。其粘附蛋白分泌足丝可以形成疏水键抵挡海风和海浪带来的侵蚀。胶蛋白Mfp-3 Mfp-5由3,4-dihydroxyphenylalanine(多巴)(Cha et al ., 2008;麦尔et al ., 2015;汉et al ., 2017;Lo Presti et al ., 2021)。二羟基苯丙氨酸被认为是一个关键因素对剪切粘附。了解水下贻贝粘附机制后,研究人员介绍了苯邻二酚组到聚合物准备bio-glue (Mehdizadeh et al ., 2012;风扇et al ., 2016;霁et al ., 2016;朱et al ., 2017)。陆et al。(陆et al ., 2020)设计了一个bio-glue由柠檬酸、PEG-PPG-PEG二醇,多巴胺。曾et al。(曾庆红等人。,2021年)取得了皮肤伤口愈合的效果通过合并polydopamine纳米颗粒(PDA)到黄原胶和魔芋葡甘露聚糖。然而,当多巴暴露在氧化剂如O₂,它不可避免地氧化醌类,导致附着力损失。因此,徐et al。(徐et al ., 2020)设计了一个基于thiourea-catechol水凝胶通过硫脲反应保护儿茶酚组织免受氧化。与传统组织粘合剂相比,thiourea-catechol水凝胶具有较高的力学性能,固化时间短,减少环境PH值独立,和较低的氧化浓度治疗胃溃疡。同时,水凝胶的应用到溃疡站点增加pro-regeneration生长因子的含量,减少暴露于外部异化的因素,导致胃溃疡的治疗。

4当前的挑战bio-glue损伤后促进经济复苏

伤口的复杂性及其反应损伤规定最新的生物工程和生物材料的进步必须在设计中实现bio-glue旨在促进伤口组织修复。研究人员已经开发出multi-therapeutic策略,结合各种元素促进修复(Zhang et al ., 2016;龚et al ., 2017;香港et al ., 2018;Saiz-Poseu et al ., 2019)。Bio-glue将能够提供这样的组合方法伤口修复细胞活性因子已被用于许多策略(赵et al ., 2014;郭et al ., 2016;梁et al ., 2019 a,2019 b;汉et al ., 2019;陈et al ., 2020;Zhang et al ., 2020)。生物降解性、机械强度、孔隙度、和细胞粘附能力的一些参数影响给定设计的再生能力。许多问题需要考虑生物材料的选择和bio-glue的设计,包括:

1、生物相容性、减少组织不良反应在活的有机体内;

2、生物功能,促进伤口愈合在活的有机体内;

3、Cytocompatibility、促进细胞增殖和附着力在活的有机体内;

4、物理性质与目标的组织(如弹性、强度、韧性);

5,可生物降解,降解产物没有细胞毒性。

总之,许多组织粘合剂已经由研究人员开发的。它们的优缺点进行了总结表1。

表1

表1。组织粘合剂的优点和缺点。

设计bio-glue时很重要的一点是它应该模仿宿主组织的生物学性质。柔软的水凝胶具有高含水量越来越多功能材料和重要在活的有机体内数据支持使用情况。例如,在香港et al。(香港et al ., 2019)实验室开发了一种混合透明质酸水凝胶,凝胶、粘多糖ECM模拟组织结构。这个biomacromolecule-based矩阵水凝胶可以快速凝胶,坚持严格密封紫外线照射后出血动脉和心脏的墙壁。这些维修血压可以承受高达290毫米汞柱,明显高于常见血压(收缩压60 - 160毫米汞柱)。

因此,直接使用ECM的去细胞的制备bio-glue可能是一个战略选择从细胞外基质在结构上类似于组织。这是一个高度竞争的生物活性材料与潜在价值高于单一的蛋白质或组件的组织粘合剂。ECM主要由大分子的两个主要团体:蛋白聚糖和纤维蛋白。主要纤维基质蛋白胶原蛋白、弹性蛋白、纤连蛋白、蛋白多糖等。填补大部分的细胞外空间组织水合凝胶的形式,主要包括透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤(弗朗茨et al ., 2010)。间质中的胶原蛋白是最丰富的纤维状蛋白质ECM和皮肤组织中最丰富的是(吉斯林et al ., 2019)。弹性蛋白是高度弹性结缔组织中,允许对人体的许多组织拉伸或收缩后恢复原来的形状。它特别丰富的大弹性血管如主动脉(Kuzan et al ., 2018)。透明质酸是一种粘多糖组成的双糖的基本结构(D-glucuronic酸和N-acetylglucosamine)。透明质酸的分子量范围从50到2000万道尔顿。透明质酸是普遍存在于结缔组织,上皮和神经组织。以其独特的分子结构和理化性质,透明质酸显示体内多种重要的生理功能,如润滑关节,调节血管壁的通透性,调节蛋白质的扩散和操作,水和电解质,促进伤口愈合。(Salwowska et al ., 2016;阿加瓦尔et al ., 2020;马里奥et al ., 2021)。硫酸软骨素(CS)是一种粘多糖与蛋白质共价连接形成蛋白聚糖。多糖链是由交替聚合葡萄糖醛酸和N-acetylgalactosamine通常来源于动物软骨(Valcarcel et al ., 2017)。实际上,有许多研究者使用ECM bio-glues单一组件的制备,但不准备报告bio-glues使用复合ECM组件。易刘et al。(刘et al ., 2019)选择明胶作为粘合剂的支柱。首先,catechol-modified明胶(Gel-Cat)和phenol-modified明胶(Gel-Ph)被接合合成多巴胺和phloretic酸凝胶骨架通过EDC与NHS化学。这种gelatin-based粘合剂展示潜力巨大伤口关闭和愈合。此外,双组分组织基于氧化聚氨酯胶粘剂是准备右旋糖酐(Dex-U-AD)和明胶在紫外光照射下photo-crosslinking (王et al ., 2012)。透明质酸和硫酸软骨素在细胞外基质也可以反应与儿茶酚准备组织胶(周y . et al ., 2020;Shin et al ., 2021;Zhang et al ., 2021)。

5细胞外基质作为bio-glue伤口修复

Bio-glue,源自天然或合成材料,可以植入受伤组织(Mankad M.B.B.年代和odispoti, 2001;卡瓦略et al ., 2021;歌et al ., 2022)。天然材料如纤维蛋白、明胶和多糖,其中大多数是聚合物,ECM的主要组件(弗朗茨et al ., 2010)。然而,没有研究制备与ECM bio-glue获得的去细胞的过程。ECM的材料可以治疗伤口,促进再生被称为ECM-bio-glue。在本节中,我们将讨论ECM的应用材料准备胶水伤口修复。到目前为止,这巨大潜力的天然生物材料支架对细胞生长,分化和组织发展,已经应用于血管(康克林et al ., 2002)、皮肤(陈et al ., 2004)、骨(树林和格拉茨,2005年)、软骨(程et al ., 2009)、肾(易et al ., 2017;Sobreiro-Almeida et al ., 2021)、肺(Cortiella et al ., 2010)、心(Rieder et al ., 2004),周围神经(Karabekmez et al ., 2009在研究和行业)。

细胞外基质是细胞的基本结构支撑,所以派生或功能化的天然ECM在再生医学中起着至关重要的作用(贝狄拉克et al ., 2009)。ECM不仅是一个支持材料,但也是一个调节器的细胞行为如细胞生存、增殖,形态发生和分化(Giancotti Ruoslahti, 1999;聂和王出版社,2018年;Urbanczyk et al ., 2020)。此外,ECM可以调节信号转导激活多种生物活性分子包括生长因子和细胞因子(Comoglio et al ., 2003)。ECM分子和网络能够改变他们的成分、结构和生物力学属性根据不同组织和器官(劳赫2007)。理想情况下,ECM伤口修复材料不仅可以提供相同或相似的局部微环境在活的有机体内,还招募细胞,甚至诱发cell-directed分化。的过程中损伤修复,ECM降解与组织再生应该达到一个平衡。

传统bio-glues已广泛使用,但他们不完全模仿ECM结构。此外,传统的胶水的成分是单身,而ECM的组合几个蛋白,生长因子,和其他细胞因子,具有广泛的生物功能。因此,ECM似乎潜力bio-glues的准备。

据一些在第3部分中提到的粘附机制(席夫碱反应,活性酯反应,和氢键),天然粘合剂可以化学的和物理的与组织表面形成紧密的关系。在这其中,ECM的糖蛋白是由核心蛋白质和多糖链(葡糖氨基葡聚糖)(弗朗茨et al ., 2010),它包含了一系列的二糖重复单位(葡萄糖醛酸,acetyl-galactosamine iduronic酸,半乳糖,等等)。二糖重复单位可以进一步分为硫酸盐(硫酸软骨素、硫酸肝素和硫酸角质)和透明质酸。目前,研究人员已经准备胶粘剂改性壳聚糖水凝胶,透明质酸和其他多糖物质(贾古玛et al ., 2011;陆et al ., 2018;金正日et al ., 2020)。因此,这些多糖链可以化学改性(二羟基苯丙氨酸,苯邻二酚组)赋予ECM粘附功能。此外,弹性蛋白丰富的组织(如血管、肺、心脏、皮肤、膀胱),可以给它附着化学修改属性。布伦南et al。(布伦南et al ., 2017)设计的弹性蛋白bio-glue prokaryotically表示大肠杆菌。ELY16主要成分,可以聚合的影响下环境因素如温度、pH值、盐度。此外,多巴胺修改胶原蛋白,赋予脱细胞细胞外基质(dECM)水凝胶与粘附功能。Catia专题et al。(柯瑞亚et al ., 2022)描述bio-adhesive膜的开发利用海洋可再生生物材料,从鱼皮中提取的胶原蛋白。胶原蛋白是携带儿茶酚集团(Col-Cat),使膜具有良好的附着力属性在潮湿的环境中,并与壳聚糖混合,改善膜的机械性能。

结论,dECM可以化学改性与儿茶酚集团/氧化聚氨酯右旋糖酐/赖氨酸和粘附的属性(Matsumura et al ., 2014;马et al ., 2021)。因此,它是可行的准备ECM-bio-glue化学(二羟基苯丙氨酸,苯邻二酚组)修改(图6 a, B)。它也展示功能,如抗菌性能,机械强度高,cytocompatibility,整体是一个非常有前途的组织粘合剂。然而,ECM来自各种组织类型是由多个蛋白质、生长因子和细胞因子(弗朗茨et al ., 2010;Theocharis et al ., 2016)。去细胞的协议缺乏特异性的治疗的复杂性(Choudhury et al ., 2020)。很难消除阻碍增长的分子,同时保留刺激分子。更重要的是,很难精确ECM的化学修饰。以上这些原因限制ECM-Bio-glue的发展。

图6

图6。ECM生物胶的制备的模型图。(一)ECM是由多巴化学修改的。(B)ECM bio-glue用于伤口修复。

6细胞外matrix-bio-glue:伤口修复的发展趋势

ECM是由非细胞成分的组织提供了一个复杂的三维网络环境对细胞的生存。最近的研究表明,ECM还提供了组织生物化学和生物物理信号所需的组织形态发生和体内平衡(Nelson和比塞尔,2006年;贝狄拉克et al ., 2009;Karamanos 2019)。在再生医学领域,dECM矩阵发挥了重要作用作为组织工程支架。dECM支架是治疗获得的组织与洗涤剂去除细胞和免疫原性,随后再充填dECM支架与宿主细胞和使他们能够被移植到主机(易et al ., 2017)。例如(田et al ., 2021),准备猪关节软骨ECM,能达到良好的软骨再生在大鼠膝关节骨软骨缺损模型。生物材料中发挥了关键作用贡献的当前理解矩阵性质的细胞反应。先前的研究都集中在脱细胞材料促进伤口修复。有趣的是,大多数研究人员认为,保持伤口表面潮湿的环境是促进伤口愈合的关键。和水凝胶,具有高度亲水材料,是一种理想的选择。在不同形式的生物材料,除了dECM支架,dECM水凝胶已被广泛使用,因为它们提供一个高度水化,cytocompatible环境和优越的印刷适性(Sobreiro-Almeida et al ., 2021)。目前,科学家们已经试图利用这种优势通过模仿ECM自然材料的结构。许多研究人员已经使用天然物质(透明质酸/明胶/粘多糖)模拟的结构/组成dECM生产bio-glues或3 d打印的人工组织/器官,但这并不能完全模拟的结构和组成dECM (Pati et al ., 2014;黄et al ., 2016;香港et al ., 2019)。dECM有一个非常强大的生物功能和伤口修复中发挥了积极作用。它的优点是毫无疑问的。然而,dECM可供bio-glue的准备吗?ECM的主要组件包括胶原蛋白、透明质酸、硫酸软骨素等。这些物质是主要的组件的准备自然bio-glues dECM是可能的化学改性赋予它一种函数的粘合剂。化学改性dECM的适用范围已经扩大。在未来,相信ECM-bio-glue可以展示他们的良好的前景。发现这些ECM材料可以溶解,随后形成水凝胶膨胀他们的使用潜力在体外和在活的有机体内。此外,水凝胶也有利于填补不规则形状的缺陷(Saldin et al ., 2017)。

ECM水凝胶被认为是最有前途的替代材料由于其良好的软组织肿胀属性和相似性。各种策略应用于仿生合成水凝胶的生物物理和生物化学特性调整来适应细胞分化(黄et al ., 2017;Boso et al ., 2020)。最近,各种聚合物单独使用或结合形成水凝胶用于生物医学应用在治疗伤口(通用电气et al ., 2020;斯托伊卡et al ., 2020)。然而,并没有研究使用ECM准备bio-glue损伤修复。本研究调查潜在的ECM水凝胶(例如,层粘连蛋白、纤连蛋白和胶原蛋白),促进损伤后恢复。然而,这些策略都是早期的尝试,只给一个提示ECM-bio-glue的潜力。如果我们能赋予ECM水凝胶粘合性,它将极大地扩大了ECM的应用的范围,例如,人造皮肤。目前,人工皮肤材料常用的制备包括凝胶(王et al ., 2006),明胶/壳聚糖(Chang et al ., 2008),明胶/海藻酸(燕et al ., 2005),明胶/纤维蛋白原(徐et al ., 2007)、海藻酸(Fedorovich et al ., 2012)。菲菲周et al。(周f . et al ., 2020)发明了一种仿生bioink由GelMA和HA-NB苯基二间,4、6 trimethylbenzoyl磷酸(圈)DLP-based 3 d印刷的聚合引发剂。GelMA HA-NB /圈bioink部分被选中,因为它快速凝胶化性质和结构相似性本机ECM,可以提供一个有益的细胞生长和组织再生的微环境。此外,GelMA HA-NB /圈水凝胶也可以用作胶粘剂“固定”的生活器官移植在生活,因为它能紧密结合组织通过席夫碱反应。然而,也有一些担忧这些研究的结果,如使用严厉的交联剂,如戊二醛(Chang et al ., 2008),增加细胞毒性。此外,这些材料并不完全模仿天然ecm的复杂性,因此不足以重建组织的微环境。因此,这些水凝胶的细胞不能表现出固有的形态和功能组织生活。因此,它是理想的,为细胞提供一个自然和自然组织微环境相似。dECM是实现这一目标的最佳选择,因为没有自然或人造材料可以复制所有的天然ECM的特性。然而,dECM材料也有缺点,比如不能治愈快/力学性能/缺乏附着力差,需要化学改性来弥补。

7结论

与传统的伤口处理技术相比,医疗组织粘合剂有很多优势,如操作简单、非侵入性粘连,快速止血,有效缩短手术时间。然而,仍有许多挑战需要克服医学发展的组织粘合剂。ECM是一个复杂的三维网络结构,起着至关重要的作用在治疗伤口的修复和为临床研究提供了新的目标。在过去的几十年中,ECM大分子和错综复杂的网络的研究已经取得了很大的进步。从生理和病理的角度来看,ECM在组织中扮演监管角色完整性、细胞信号转导、基因表达、细胞行为。ECM的材料已经成功地商业化治疗各种疾病。

在这次审查中,我们提供了一些线索是否可以使用ECM bio-glue做准备。相信在材料科学的不断发展和研究人员的不懈努力,医疗组织粘合剂将光明的未来。研究小说ECM生物材料更值得关注。

作者的贡献

原创作品草稿准备,YZ;writing-review和编辑,LT;项目管理、JM和圣所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。

资金

这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号中国81970653)和国家重点研发项目(批准号2021 yff0700300)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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引用

阿加瓦尔,G。,Agiwal, S., and Srivastava, A. (2020). Hyaluronic acid containing scaffolds ameliorate stem cell function for tissue repair and regeneration.Int。生物。絮凝。165年,388 - 401。doi: 10.1016 / j.ijbiomac.2020.09.107