這種材料太棒了!《Nat. Biomed. Eng.》仿生驅血組織 “膠水”

來源: 生物通 / 作者: 2021-08-11
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麻省理工學院的工程師們受到藤壺附著在巖石上的粘性物質的啟發,設計出了一種強大的生物相容性膠水,可以密封受傷的組織并停止流血。

這種新型膏狀物即使被血跡覆蓋,也能粘附在表面上,并能在大約 15 秒內形成緊密的密封。研究人員說,這種膠可以提供一種更有效的方法來治療創傷,并幫助控制手術中出血。

“我們正在解決一個具有挑戰性的環境中的粘附問題,即人體組織潮濕、動態的環境。與此同時,我們正試圖將這種基礎知識轉化為能夠拯救生命的實際產品,” 麻省理工學院 (MIT) 機械工程、土木與環境工程教授、該研究的資深作者之一 Xuanhe Zhao 表示。

Christoph Nabzdyk 是明尼蘇達州羅徹斯特市梅奧診所的一名心臟麻醉師和危重護理醫生,也是這篇發表在《Nature Biomedical Engineering》雜志上的論文的資深作者。麻省理工學院研究科學家 Yuk Hyunwoo 和博士后 Jingjing Wu 是這項研究的主要作者。

大自然的靈感

Zhao 說,尋找止血方法是一個長期存在的問題,但還沒有得到充分解決??p合線通常用于縫合傷口,但縫合到位是一個耗時的過程,在緊急情況下,急救人員通常不可能進行。在軍人中,失血是僅次于創傷性傷害的第一大死亡原因,而在普通民眾中,失血是僅次于創傷性傷害的第二大死亡原因。

近年來,一些可以止血的材料,也被稱為止血劑,已經在市場上出售。其中許多是由含有凝血因子的補丁組成的,這有助于血液自身凝結。然而,這需要幾分鐘的時間來形成密封,并不總是對大量流血的傷口起作用。

Zhao 的實驗室多年來一直致力于解決這個問題。2019 年,他的團隊開發了一種雙面組織膠帶,并展示了它可以用于關閉手術切口。這種膠帶的靈感來自蜘蛛在潮濕條件下捕捉獵物時使用的粘性材料,它含有帶電的多糖,可以幾乎瞬間從表面吸收水分,清除膠水可以附著的小塊干燥區域。

對于新的組織膠,研究人員再次從自然界中汲取靈感。這一次,他們把注意力集中在藤壺上。藤壺是一種小型甲殼類動物,能附著在巖石、船體上,甚至連鯨魚等其他動物上。這些表面是濕的,經常是臟的——這些條件使粘附困難。

“這引起了我們的注意,”Yuk 說?!斑@非常有趣,因為要封閉出血組織,你不僅要與潮濕作斗爭,還要與流出的血液的污染作斗爭。我們發現,這種生活在海洋環境中的生物正在做的事情與我們處理復雜出血問題時所做的事情完全相同?!?/p>

研究人員對藤壺膠的分析顯示,它有一種獨特的成分。幫助藤壺附著在表面的粘性蛋白質分子懸浮在一種油中,這種油排斥水和表面上的任何污染物,使粘性蛋白質牢固地附著在表面上。

麻省理工學院的研究小組決定通過改造他們之前開發的一種粘合劑來模擬這種膠水。這種粘性材料由一種叫做聚丙烯酸的聚合物和一種叫做 NHS 酯的有機化合物組成,NHS 酯提供了粘性,而殼聚糖是一種糖,可以增強材料的強度。研究人員將這種材料薄片凍結,研磨成微粒,然后將這些微粒懸浮在醫用硅油中。

當產生的膏體被涂在濕的表面 (如被血液覆蓋的組織) 上時,油會排斥可能存在的血液和其他物質,使粘附的微粒交聯,在傷口上形成緊密的密封。研究人員在老鼠身上進行的試驗顯示,在涂上膠水后的 15 到 30 秒內,輕輕按壓,膠水就會凝固,出血也會停止。

研究人員表示,與 2019 年研究人員設計的雙面膠帶相比,這種新材料的一個優勢是,這種膏狀材料可以被塑造成適合不規則傷口的形狀,而膠帶可能更適合密封外科切口或將醫療設備連接到組織上?!翱沙尚偷母囿w可以流進去,適合任何不規則形狀并密封,”Wu 說?!斑@讓用戶可以自由地調整它,以適應各種不規則形狀的流血傷口?!?/p>

更好的止血

在豬身上進行的試驗中,Nabzdyk 和他在梅奧診所(現中文官方名 “妙佑醫療國際”)的同事發現,這種膠水能夠迅速停止肝臟出血,而且比他們比較的市面上的止血劑更快、更有效。甚至當給豬注射強效血液稀釋劑 (肝素),使血液不會自發形成凝塊時,它也起作用。

他們的研究表明,這種密封可以保持幾周的完好,給下面的組織足夠的時間自我愈合,而且這種膠水引起的炎癥很小,類似于目前使用的止血劑產生的炎癥。經過幾個月的時間,這種膠會在體內慢慢被吸收,如果外科醫生需要在初次應用后進入傷口進行修復,也可以通過應用溶解它的溶液,提前將其去除。

研究人員現在計劃在較大的傷口上測試這種膠,他們希望能證明這種膠對治療創傷性損傷是有用的。他們還設想,這種技術在外科手術過程中可能會很有用,因為外科醫生通常需要花費大量時間來控制出血。

Nabzdyk 說:“我們在技術上有能力進行許多復雜的手術,但在迅速控制特別嚴重出血的能力方面,我們還沒有真正進步得那么快?!?/p>

另一種可能的應用是幫助那些將塑料管插入血管的病人止血,比如那些用于動脈或中心靜脈導管或體外膜氧合 (ECMO) 的病人。在 ECMO 過程中,一臺機器被用來將病人的血液泵出體外以供氧。它被用來治療嚴重的心肺衰竭患者。導管通常會持續插入數周或數月,插入部位的出血可能導致感染。

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原文檢索:Rapid and coagulation-independent haemostatic sealing by a paste inspired by barnacle glue

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