Enlisting a Traditional Chinese Medicine to tune the gelation kinetics of a bioactive tissue adhesive for fast hemostasis or minimally invasive therapy

利用中藥來調節生物活性組織粘合劑的凝膠動力學，以實現快速止血或微創治療

來源：Bioactive Materials 6 (2021) 905–917

 

1. 摘要核心內容

 

本研究提出一種基于中藥硼砂（Borax）的凝膠動力學調控策略，通過調節酰胺化反應體系的pH環境，精準控制PEG-溶菌酶（PEG-LZM）水凝膠的凝膠時間（3秒至數分鐘），同時保持水凝膠的物理性質（如粘附強度、流變性能）不變。硼砂的加入提供堿性緩沖環境，促進氨基去質子化，加速酰胺鍵形成（圖1）。該策略賦予水凝膠雙重優勢：

 

 

快速止血：高濃度硼砂（20 mg/mL）使凝膠時間縮短至3秒，可即時封閉心室穿透傷（圖7）；

 

微創治療適配：調節硼砂濃度可匹配導管內流動時間，實現深部組織（如胃穿孔）的無創封堵（圖3）；

 

 

抗菌增效：硼砂的生物活性顯著提升水凝膠對金黃色葡萄球菌（S. aureus）和大腸桿菌（E. coli）的抑制率（圖5）。

 

 

2. 研究目的

 

解決化學交聯水凝膠凝膠速率難以精細調控的瓶頸問題：

 

傳統方法（改變前體濃度）會同步改變水凝膠物理性質；

 

開發一種不改變材料組成即可靈活調節凝膠時間的方法，適配緊急止血（快凝）與微創治療（慢凝）的臨床需求。

 

3. 研究思路

 

硼砂緩沖機制→凝膠動力學調控→應用驗證：

 

機制解析：

 

硼砂水解產生B(OH)?/B(OH)??緩沖對（pKa≈9.2），消耗反應生成的H?，維持弱堿性環境（圖1c）；

 

堿性環境促進氨基（-NH?）去質子化，加速親核攻擊PEG-NHS的羰基碳（圖1a）。

 

凝膠時間調控：

 

通過調節硼砂濃度（1.5–20 mg/mL）精確控制凝膠時間（圖2b），擬合指數方程：Gelation Time = 3.117 + 4890.865 × 0.553^濃度（R2=0.995）。

 

 

應用驗證：

 

體外模型：噴涂快速凝膠封閉豬心肌出血（圖3a），導管內定制凝膠時間匹配流動（圖3b）；

 

體內療效：3秒封閉兔心室穿透傷（圖7），修復大鼠胃穿孔（圖8）。

 

 

 

4. 關鍵數據及研究意義

（1）凝膠時間與pH調控（圖2）

 

數據：硼砂濃度從1.5 mg/mL增至20 mg/mL → 前體pH從7.42升至8.75（圖2a），凝膠時間從450秒縮短至3秒（圖2b）。

 

意義：首次實現不改變材料組成的凝膠時間精準調控，突破傳統濃度調節的局限性。

 

（2）物理性質恒定性（圖4a）

 

 

數據：不同硼砂濃度（2–20 mg/mL）下水凝膠的儲能模量（G'）均穩定在~1200 Pa（圖4a）。

 

意義：證實硼砂僅調節反應動力學，不影響水凝膠力學性能，保障臨床應用的可靠性。

 

（3）抗菌性能提升（圖5）

 

數據：添加硼砂（20 mg/mL）后，水凝膠對S. aureus和E. coli的抗菌率分別達99.2%和98.5%（圖5b），MRSA生物膜形成被完全抑制（圖5c）。

 

意義：硼砂賦予水凝膠固有抗菌活性，減少感染風險。

 

（4）體內快速止血（圖7）

 

數據：硼砂水凝膠3秒封閉兔心室傷口（直徑1.2 mm），術后3周心功能（EF%和FS%）完全恢復（圖7b-c）。

 

意義：驗證緊急止血可行性，無需輔助縫合。

 

5. 核心結論

 

硼砂緩沖機制普適：適用于多種蛋白（溶菌酶、BSA、血紅蛋白），通過pH調控加速酰胺化反應。

 

凝膠時間-濃度定量關系：建立指數方程，實現臨床場景定制化（快凝止血/慢凝微創）。

 

性能不變+功能增強：物理性質恒定，同時提升抗菌性、生物相容性（圖6）與止血效率。

 

 

臨床轉化潛力：硼砂為臨床常用藥物，方案易于操作，適配緊急與微創治療場景。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

 

技術原理與優勢：

 

微電極pH傳感系統（PXF2078）：100 μm尖端直徑，高空間分辨率測量凝膠內部pH（方法2.4）；

 

原位無損檢測：直接插入水凝膠/溶液，避免取樣破壞，實時監測反應過程pH變化。

 

關鍵科學貢獻：

 

揭示硼砂作用機制：

 

Unisense數據證實：添加硼砂后前體pH從7.4升至8.9（圖2a），反應后凝膠pH維持在6.0–6.5（圖S4），而對照組降至3.1–3.6；

 

對比實驗：相同pH下，硼砂組凝膠時間比NaOH組短（圖1e），證明其持續緩沖能力（消耗H?）優于一次性堿調節。

 

量化pH-凝膠時間關聯：

 

“微電極數據建立pH與凝膠時間的定量關系（圖2），為臨床定制提供參數基準。”

 

驗證生物相容性：

 

測量植入后凝膠pH（~6.5），解釋無炎癥反應原因（圖6e），支持體內安全性結論。

 

領域突破性價值：

 

解決傳統pH試紙/電極的空間分辨率不足問題，精準捕捉凝膠內部微環境變化；

 

為智能水凝膠設計提供動態pH監測方法論，推動反應動力學調控的標準化。

 

注：Unisense微電極是本研究的核心分析工具，其高精度pH數據為“硼砂緩沖機制”提供直接證據，并架起基礎研究（反應動力學）與臨床應用（止血/微創）的橋梁。