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“超级创口贴”材料问世,粘合力增强10倍,不易留疤

北极蚊子 2019-8-5 14:36

生活中难免磕磕碰碰,人们总习惯说“时间能治愈一切创伤”,但有那么一群科学家总想着让你快点儿康复。

我们的皮肤可能会受到各种损伤——割伤、擦伤、水疱、烧伤、刺伤等。通常情况下,我们对皮肤伤口的治疗方法都是简单地在伤口上放置一个屏障,有时是医用纱布,有时是我们熟悉的创可贴。通过对伤口的隔绝,来保持皮肤的湿润状态,减少疼痛,也避免伤口与传染性微生物接触而感染。但是,这种隔绝方式对皮肤的愈合,没有任何积极的帮助作用。

近几年,有团队研发了功能更为复杂的创口表面敷料,可以监测伤口愈合的各种数据,包括 pH 数值和伤口温度等。同时,还能将治疗的药物送至伤口部位。但是,这种新型创口敷料的制作工艺复杂、价格相对昂贵,并且难以定制,这些因素限制了它在广泛应用层面的潜力。

而现在,哈佛大学(Harvard University)和麦吉尔大学(McGill University)的研究团队共同发明出一种新型的、可拓展的,并且能加速伤口愈合的处理办法。这种方法是基于热反应性水凝胶研究的,这种水凝胶具有机械活性、弹性、韧性、高粘性和抗菌性,研究人员将其称为“活性粘合剂敷料”(Active Adhesive Dressings,AADs)。

图 | 贴在手上的新型“活性粘合剂敷料” (来源:Wyss Institute at Harvard University)

AADs 可以比其他方法更快速地帮助伤口愈合,并且不需要任何外接设备或者刺激,就能阻止细菌的生长。这项研究在近日发表在 Science Advances 杂志上。这种机械生物学方法为伤口管理开辟了新的途径,并可能从再生医学到软机器人技术的应用中发现更广泛的用途。

灵感与实验

小孩子在玩耍中经常会磕碰到,但只要不是特别严重的伤口,基本上都会慢慢地恢复,不留伤疤。这是因为胚胎的皮肤能够完全自愈,并且不会留下疤痕组织,而胚胎发育也正是 AADs 的灵感来源。

为了“完美”愈合,伤口周围的胚胎皮肤细胞会产生由肌动蛋白组成的纤维,这种纤维收缩以将伤口边缘拉到一起,就像一个拉绳袋被拉紧一样。而一旦小孩发育到一定年龄,皮肤细胞就会失去这种能力,在此之后的任何损伤,都极易在伤口愈合的过程中引起炎症并留下疤痕。

过去的伤口敷料不能满足 AADs 的需求,但最近随着硬质粘合剂(TAs)材料的发展,使研究人员的 AADs 设想成为可能。

研究人员为了模拟这种让胚胎皮肤伤口闭合的收缩力量,他们扩展了对硬质粘合剂的设计,在其中添加了温度敏感性的水凝胶(聚N-异丙基丙烯酰胺,PNIPAm),它不溶于水,同时在32℃左右有收缩能力。

当暴露于体温时,这种合成的混合水凝胶可以通过藻酸盐水凝胶和组织之间的强键,将收缩 PNIPAm 成分的力传递到下层组织,以此来收缩伤口附近皮肤。 此外,银纳米粒子被嵌入到 AADs 中,以提供抗菌保护。

图 | 生物灵感设计的 AADs 促进伤口收缩过程:(A)鸡的胚胎皮肤伤口——在伤口边缘的细胞中形成一条肌动蛋白网线(绿色)并与伤口接触;(B) AADs 在皮肤温度下附着在伤口表面并收缩伤口边缘,从而使创面主动收缩,红色虚线箭头表示收缩方向。(来源:Bioinspired mechanically active adhesive dressings to accelerate wound closure)

接下来,研究人员进一步研究了其在猪皮上的粘附性。该论文的作者之一,Benjamin Freedman 说道:“AADs 与猪皮的粘合能力大概超过了创可贴的 10 倍,并且还可以防止细菌成长。所以即便只是考虑 AADs 在伤口闭合之前的特性,这项技术已经要比大多数常用的伤口保护措施好很多了。”

为了确定 AADs 促进伤口闭合的程度,研究人员在小鼠的皮肤表面进行了相关测试。结果发现,与未经过处理的伤口几乎没有面积上的变化时作对比,AADs使伤口的面积减小了约 45%。同时,相比于其他促使伤口闭合的办法,比如微凝胶、壳聚糖、明胶和其他类型的水凝胶,AADs 也没有引起炎症或免疫反应。这表明,它在活组织上是可以安全使用的。

图 | 应用 AADs 进行体内创面愈合:(A)啮齿动物体内夹板伤;(B)皮肤温度触发的 AADs 对皮肤伤口的反应;(C)初始创面和无水凝胶处理7天后创面的数字图像(对照组),采用非热响应 TA 处理,以及 AAD 治疗方式;(D)伤口收缩随时间变化的曲线;(E)第 7 天采集的受伤皮肤的组织切片和苏木精和伊红染色图;(F)由不知情的病理学专家对炎症和肉芽水平进行组织学的评估——0 正常,1 最小,2 轻度,3 中度,4 强度。(来源:哈佛大学,拍摄者:Jianyu Li,David Mooney)

此外,研究人员还能够通过在制造过程中添加不同量的丙烯酰胺单体来调整 AADs 可达到的伤口愈合程度。 “将这种粘合剂应用于像肘部这样的关节上的伤口时,这种性质可能十分有用。因为不像胫骨这样的身体更静止的区域,肘部会进行很多运动,可能会受到松散粘合的影响。”论文的第一作者,Jianyu Li(前哈佛大学Wyss Institute 博士后研究员,现任麦吉尔大学助理教授)说。

未来的研究方向

研究人员为预计 AADs 在人类患者中可取得的临床收益,进一步创建了 AADs 辅助伤口的计算机模拟, 通过预测表明,AADs 可使人的皮肤和小鼠皮肤以相似速度进行收缩,验证了其在未来在人类临床收益的可能。

“我们正在继续更为深度的研究,以便了解更多关于 AADs 提供的机械因素是如何影响伤口愈合的生物过程。同时还要了解怎样在不同的温度下执行操作,因为体温在不同的位置也有区别。到目前为止,我们只研究了 AADs 在正常体温下材料的收缩。”Benjamin Freedman 说道,“我们希望进行更多的临床前的研究,以便证明 AADs 作为一款医疗产品的潜力,然后朝着将其商业化的方向努力。”

即使目前已证明了 AADs 的奇特机械性能及其促进小鼠伤口愈合的能力,但仍需大量的工作来评估 AADs 对皮肤再生的影响。例如,其对伤口愈合和皮肤组织愈合时胶原组织中重要基因表达的影响。阐明 AADs 施加的机械收缩力是如何影响创伤愈合的生物学过程将是未来最重要的一步,包括相关纤维细胞的表型、迁移和活性等。

“这是在机械疗法中一个非常好的新设计,其对物理力量在生物控制中发挥的关键作用的新见解,可以用来开发一种新的、更为简单的治疗方法,这可能比药物或复杂的医疗设备更有效。” Wyss 的创始董事 Donald Ingber,同时他也是哈佛医学院血管生物学教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目及 SEAS 的生物工程教授,如此评价这项研究。

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