多肽强力胶,伤口快愈合 + 贴出双眼皮

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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),不过其粘合强度还有待提高。

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贻贝启发的生物胶策略。图片来源:Adv. Funct. Mater.


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。

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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%。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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~

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“双眼皮贴”应用。图片来源:Nat. Commun.


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