赵强/叶晓峰/游正伟合作再发《自然·通讯》：自修复聚氨酯弹性体，用于体内多种生物医学应用

2021-07-23 14:48:24 作者：高分子科学前沿来源：高分子科学前沿分享至：

自愈合材料是一种智能高分子材料，通过重构分子结构，使断裂部位从断裂形态到完整形态，实现断裂部位间的相互愈合，在生物医学中显示出了巨大的潜力，避免了手术缝合的过程。具有生物相容性和生物可降解性的自愈合弹性体（SHEs）由于其在软组织中的仿生力学性能和良好的弹性，能够适应体内动态环境，具有巨大的生物医学应用潜力，如心脏辅助装置和医用导管。这类弹性体的开发和在医学中的应用是科学家们研究的热点问题。

上海交通大学医学院附属瑞金医院的赵强教授、叶晓峰主任医师及东华大学游正伟教授合作，设计了具有可降解和生物相容性的自愈合弹性体（SHEs），并将其应用于各种疾病的活体内模型，以测试其在多种组织和生理条件下的修复潜力。研究结果以“Self-healing polyurethane-elastomer with mechanical tunability for multiple biomedical applications in vivo”为题发表在《Nature Communications》。

缝合需要长期的训练，是一项费时、重复的工作，降低了手术的效率。微创手术的快速发展使得在狭窄的手术领域内缝合更为困难。具有独特性能的自愈材料的出现避免了手术缝合的过程，实现了手术过程中材料的实时成型，大大简化了手术过程，特别是在内镜手术、颅内手术等特定情况下，提高手术效率，减少手术对邻近组织的创伤。然而自愈合材料有限的生物降解性和机械性能阻碍了它们在体内的应用。作者设计了一种基于动态二甲基乙二肟聚氨酯基的新型自主自愈合弹性体（SHEs），肟基聚氨酯键起关键作用。这些SHEs表现出机械可调性、生物相容性和生物降解性，并在治疗某些临床疾病（如动脉瘤、周围神经截肢和骨固定术）方面表现出高效率，它们在生理条件下具有良好的自愈合能力（图1）。

图1:SHEs的化学结构式、可调节的力学和自愈合性能以及在体内生物医学应用的模式图。

SHEs的抗拉强度范围为33 kPa ~ 4.383 MPa，杨氏模量范围为172 kPa ~ 3.724 MPa，断裂伸长率范围为506% ~ 3295%。在无外界刺激的情况下，将SHEs切片切成两段，在室温下重新连接5min，测试自愈合性能。愈合后的SHEs表现出了足够的力学性能，可用于不同的体内实验场景。为了证明SHEs的弹性，作者进行了应变为20%的循环拉伸试验，随着交联度的增加，机械强度的降低量逐渐减少，松弛30min后恢复强度逐渐增加。所有的SHEs在含有CE的PBS中表现出可生物降解性，在37℃下，活性为300 U mL-1, 9天内全部SHEs的质量损失约7%。在C57BL/6小鼠皮下植入后，交联的SHEs（0.2-2）在植入后第35天仍保持原来的形状，扫描电镜显示其表面有微孔，这意味着在体内降解。植入后第35天肝肾功能没有改变确定了SHEs的安全性。

作者通过三种手术疾病模型，包括动脉瘤、神经结合和胸骨固定，展示自愈材料带来的手术过程变化。作者选择PPE体外应用建立与人动脉瘤病理变化相似的动脉瘤模型。弹性蛋白降解指数的降低和eNOS表达的增加表明，SHE包裹纠正和改善了动脉瘤的血流动力学。SHEs外包还可以减轻动脉瘤内血管平滑肌细胞的炎症和凋亡，SHE包皮对已建立的主动脉瘤的限制效率是令人满意的。由于其自愈特性，SHEs可以在手术过程中根据血管的形状和分支分布实时塑造成完整的结构。使用SHEs可以避免手术缝合过程，一些外科包裹术，特别是内镜手术或颅内手术，可以大大简化，提高手术效率，减少手术对邻近组织的创伤。在神经接合实验表明，与缝合接合时间相比，使用SHE进行神经接合所需时间大大缩短3/4，达到快速接合的目的。图2显示了使用SHE2固定大鼠胸骨的手术过程。固定后第6周，对大鼠进行x线成像，显示各组胸骨愈合相关的高密度阴影，皮质骨相对完整。作者也对大体格的猪进行了测试。根据术后即时螺旋x线成像，猪胸骨被SHE固定，骨折边缘也对齐。

图5:胸骨弹性体固定模式图，固定手术方式，胸骨HE和Masson三色染色，猪胸骨脊柱x线想像。

综上，作者设计了SHEs并将材料的自愈合特性用于活体内实验。基于独特的杂化动态肟脲烷共价键和氢键的SHEs是第一个生物相容和生物降解的SHEs。通过控制交联程度，可以调整SHEs的力学性能。在体内为不同类型的组织（软组织和硬组织）应用中，SHEs充分地利用了自愈的特性，解决了一些临床疾病的关键问题。这项研究激发了自愈材料在生物医学领域的广泛应用前景，并加速自愈材料在生物医学领域实现实际的应用。

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