中山大学吴丁财《AM》：Janus多孔水凝胶！抗变形、抗粘连、促愈合，用于治疗腹壁缺损

传统的合成补片(如聚丙烯(PP)、聚酯等)具有高强度、轻量、抗变形等优点，已广泛应用于软组织缺损的修复。但由于有明显的异物反应，这些补片可能导致严重的内脏粘连和不良的伤口愈合。且在腹部湿润环境中，复合材料网格容易膨胀变形从而影响治疗。目前，上述缺点及相关并发症已成为组织缺损修复手术失败的主要原因。因此，如何设计出集抗变形、抗粘连、促愈合于一体的先进补片，是实现软组织缺损高效修复的关键科学问题。

受Janus结构的腹膜启发，中山大学的吴丁财、郑冰娜团队与中山大学附属第六医院黄榕康、王辉团队，通过基于自上而下的溶剂交换的简便策略开发了一种新型生物相容性Janus多孔PVA水凝胶（JPVA水凝胶），实现了内部软组织缺损的有效修复。该凝胶具有不对称的多孔结构：致密的多孔光滑的底面最大限度地减少了成纤维细胞的粘附，不会引发任何内脏粘附；而松散的多孔粗糙的顶面可以显着改善成纤维细胞的粘附和组织生长，对腹壁缺损的治疗优于市售补片。JPVA水凝胶具有独特的抗膨胀性能（膨胀率：6.4%）与持久的抗变形性能，在PBS中浸泡14天后仍保持较高的机械强度，能够承受内部潮湿环境中的最大腹压。通过将内脏抗粘连、缺损预愈合与抗变形相结合，JPVA水凝胶贴片在有效修复内部软组织缺损方面显示出广阔的前景。该研究以题为“Peritoneum-inspired Janus Porous Hydrogel with Anti-deformation, Anti-adhesion and Pro-healing Characteristics for Abdominal Wall Defect Treatment”发表在最新一期的《Advanced Materials》上。

首先通过自上而下方法使DMSO与水溶剂交换构建具有不对称孔的JPVA凝胶，冻干后再水合生成JPVA水凝胶。冻干后，凝胶顶部形成疏松多孔、粗糙的表面形貌；而内部和底面均呈现致密的多孔结构；其平均孔径约为0.35 μm。再水合后，JPVA水凝胶径向膨胀率为17%，但仍保持Janus孔结构。顶表面粗糙疏松的多孔结构与细胞外基质结构相似，其孔径与人成纤维细胞大小的数量级相同。因此，利用JPVA水凝胶作为腹壁缺损贴片时，顶面有利于细胞伪足的黏附和生长，促进组织愈合；同时由于其底表面致密多孔、光滑，具有抑制细胞和脏器粘附的作用。

图1：结构和腹壁缺损修复特性示意图

图2：JPVA凝胶的不对称孔结构

JPVA水凝胶具有优异的力学性能和抗胀性能。在经过30次循环的30%的拉伸应变下，JPVA水凝胶基本恢复到初始形态。循环加载远高于人体腹部最大压力的应力(0.33~0.37 MPa)，结果表明JPVA水凝胶具有良好的柔韧性和可恢复性，便于腹部手术操作。JPVA水凝胶的氢键在冷冻和冻干过程中得到加强，在再水合过程中保持氢键，从而提高了其力学性能。另一方面，JPVA水凝胶在PBS缓冲液中浸泡1、3、7、14天后的溶胀率分别为5.9%、6.4%、5.5%和5.3%，显著低于报道最多的抗粘贴片。

图3：JPVA水凝胶的机械性能

为评价Janus多孔结构的JPVA水凝胶对生物粘附行为的影响，选择L929成纤维细胞在JPVA水凝胶的不同表面进行播种。成纤维细胞在JPVA水凝胶松散的多孔顶表面粘附生长较多，而在致密多孔底表面生长较少，与商用补片的抗粘附表面相似。在大鼠腹壁缺损模型的基础上，进一步评价JPVA水凝胶在体内的生物粘附性能。植入后14天，JPVA水凝胶疏松多孔的表面可出现软组织牢固粘附或过度生长。这些结果表明Janus多孔结构对JPVA水凝胶各向异性生物粘附性能的有效调控。

图4：JPVA水凝胶上的细胞粘附

打开大鼠腹壁使用JPVA水凝胶进行治疗后，缺损全部修复成功，术后第14天各组均无疝气发生。PP补片触发内脏粘连形成严重，临床粘连评分可达9.8分；经典的抗粘连商用补片临床粘连评分为0.8；而JPVA水凝胶没有引起任何内脏粘连形成，导致临床粘连评分为0分。以上结果表明，JPVA水凝胶底表面致密多孔，能有效抑制内脏粘附。此外，JPVA水凝胶在第28天保持了原始形状，没有明显降解，并保持了良好的抗粘着功能，而商用补片在第28天出现明显变形，说明了JPVA水凝胶在腹部潮湿环境下的长期抗变形特性和内脏抗粘连性能。

图5：JPVA水凝胶对内脏黏附表征

综上所述，作者将自上而下的溶剂交换、冻干和再水合相结合，为高效构建具有非对称多孔结构的Janus多孔水凝胶提供了新的方向。所构建的非对称多孔JPVA水凝胶，密实多孔的底表面可完全抑制内脏黏附，松散的顶表面可显著促进腹壁缺损修复模型的缺损再生。此外，JPVA水凝胶具有持久的抗变形特性，并保持较高的机械强度，以抵抗湿润环境下的最大腹部压力。该工作为Janus多孔水凝胶的制备提供一个重要的方向，并为其他用于体内软组织生物工程的多功能贴片的设计提供一个新的平台。

来源：高分子科学前沿

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