MIT赵选贺：折纸状水凝胶创可贴！
NanoLabs
2021-02-22
在开放式和微创手术中，使用机械紧固件（即缝线和钉皮机）的传统策略，目前仍然是密封和修复组织的标准。但是，这些模式具有固有的缺点。缝合需要费时的复杂操作，并且需要医生的高水平的手术技能，这在紧急情况下非常不利。
生物粘合剂材料有望能作为缝合器官伤口的新型方式。几十年来，生物粘合材料因其在微创外科手术中替代缝合线和缝合钉缝合组织的潜力而备受关注。然而，在狭窄的空间内（内部撕裂或伤口）输送生物粘合剂和在富含液体的生理环境中实现强黏附的复杂性，对现有密封剂的外科转化造成了实质性的限制。
成果简介
有鉴于此，美国麻省理工学院赵选贺、Hyunwoo Yuk等人从折纸中汲取灵感，设计了一种医疗贴片，可以将其折叠在微创手术工具周围，并通过气道、肠子和其他狭窄空间进行传送，以修补内部伤害。干燥时，贴剂类似于可折叠的纸状薄膜。一旦与潮湿的组织或器官接触，它就会转变成可拉伸的凝胶，类似于隐形眼镜，并会粘在受伤的部位。
与现有的外科手术粘合剂不同，该团队的新胶带旨在在暴露于细菌和体液时抵抗污染和炎症。随着时间的推移，该贴剂可以安全地生物降解。
示意图
多功能层组成
当前在微创手术中使用的生物粘合剂主要以可生物降解的液体和胶水的形式使用，它们可以散布在受损的组织上。但是，当这些胶水固化时，它们会在较软的下层表面变硬，形成不完善的密封。血液和其他生物液体也会污染胶水，从而无法成功粘附到受伤部位。胶水也可以在伤口完全愈合之前被洗掉，在使用后，胶水也会引起炎症和疤痕组织形成。
考虑到当前设计的局限性，该团队旨在设计一种能够满足三个功能要求的替代方案。它应该能够粘在受伤部位的湿表面上，避免在到达目的地之前与任何东西结合，并且一旦应用于受伤部位，就可以抵抗细菌污染和过度发炎。
该团队设计了一种三层结构的贴片，这满足了所有三个要求。他们分别是i)微纹理生物粘附层，ii)动态的、血液排斥疏水流体层，iii)防污两性离子非胶粘附层。
其中，中间层是主要的生物粘合剂，由水凝胶材料制成，嵌入了称为NHS酯的化合物。当与潮湿的表面接触时，粘合剂吸收周围的所有水分，并变得柔韧而有弹性，成型为组织的轮廓。同时，粘合剂中的酯与组织表面上的化合物形成牢固的共价键，从而在两种材料之间形成紧密的密封。
然后，研究小组将粘合剂夹在两层之间，每层都有不同的保护作用。底层由涂有硅油的材料制成，该材料可起到暂时润滑粘合剂的作用，从而防止粘合剂在通过人体时粘在其他表面上。当粘合剂到达其目的地并轻轻地压在受伤的组织上时，硅油就会被挤出，从而使粘合剂与组织结合。
胶粘剂的顶层由嵌入两性离子聚合物或由正负离子组成的分子链的弹性体薄膜组成，该分子链可将周围的水分子吸引到弹性体的表面。这样，粘合剂的朝外层形成水基皮肤，可阻挡细菌和其他污染物。
研究表明，该贴片能够在有血液存在的情况下与组织表面形成牢固的粘附，并对细菌粘附、纤维蛋白原吸附和体内纤维囊形成表现出优越的抵抗能力。
图|多层贴片的体外和体内防污性能
可应用于不同的临床情景
在一系列的演示中，研究人员表明，即使长时间浸没在包括血液的液体烧杯中，这种新的生物粘合剂也可以牢固地粘附在动物组织样品上。
他们还使用折纸启发的技术将粘合剂折叠在微创手术中常用的器械周围，例如球囊导管和外科缝合器。通过给球囊导管充气或向外科缝合器施加轻微压力，他们能够将贴片粘贴到撕裂的组织和器官上，直到贴片后一个月之内都没有发现修补部位或其附近的污染迹象。
图|用于各种手术末端执行器的多层贴片的设计和组装
这种新的生物粘合剂可以以预先折叠的形式制造，这样外科医生可以轻松地将其安装在微创器械周围以及机器人手术中使用的工具上。贴片形式和功能上的新颖性代表着克服机器人手术中的临床转化障碍并促进生物粘附材料在临床上更广泛采用的令人振奋的一步。
图|通过气囊导管微创递送和应用多层生物粘附贴片
图|使用外科缝合器以微创方式递送和应用多层生物粘附贴片
小结
在这项工作中，研究人员引入了一种多功能的组织密封贴片，该贴片能够在富含体液的环境中实现快速而牢固的组织粘附，并减轻围手术期和术后并发症的范围，例如感染，血栓形成和纤维化囊化。虽然多层贴剂实现的全部功能使其通常成为外科手术的有利组织密封剂，但其性质对于微创手术尤其重要。利用贴片的材料特性和类似纸的形状，该课题组证明了可以采用基于折纸的制造技术将贴片与各种手术末端执行器集成在一起，以部署在各种微创手术中。
参考文献
Sarah J. Wu, et al. A Multifunctional Origami Patch for Minimally Invasive Tissue Sealing. Adv. Mater., 2020.
DOI: 10.1002/adma.202007667
https://doi.org/10.1002/adma.202007667
