腹壁缺損是一種常見但嚴重的外科疾病，不僅會導(dǎo)致腹腔器官突出、慢性疼痛和功能障礙，嚴重時甚至可能危及生命。腹壁修補手術(shù)是解決這一問題的重要手段，通常通過將修補材料縫合至肌肉，恢復(fù)腹壁的完整性。然而，目前臨床上使用的聚丙烯（PP）和聚四氟乙烯（ePTFE）補片因無法降解，長期留存在體內(nèi)可能引發(fā)異物反應(yīng)，導(dǎo)致術(shù)后內(nèi)臟粘連和慢性炎癥等并發(fā)癥，給患者帶來巨大困擾。海藻酸鈣離子水凝膠材料（CAIHs）為腹壁修復(fù)提供了全新希望，它通過海藻酸鹽與鈣離子的交聯(lián)形成，具有良好的生物相容性，且在體內(nèi)降解時不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，能夠有效避免炎癥反應(yīng)和免疫排斥。然而，海藻酸鈣膜在實際應(yīng)用中仍然存在機械強度較弱，難以承受應(yīng)用在腹壁修復(fù)時所產(chǎn)生的應(yīng)力，而導(dǎo)致材料失效的風(fēng)險，因此如何在不引入其他成分破壞海藻酸鈣材料的生物相容性的前提下，提高其力學(xué)性能，是本研究所關(guān)注的問題。

近日，上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院凌盛杰教授課題組與華東醫(yī)院顧巖教授團隊合作，開發(fā)了一種通過機械訓(xùn)練增強力學(xué)性能的海藻酸鈣離子水凝膠用于腹壁缺損修復(fù)。該材料展現(xiàn)了顯著的機械強度提升，同時與生物組織具有良好的適配性，為腹壁修復(fù)提供了一種新型解決方案。相關(guān)工作以Mechanically Trained Calcium Alginate Ionic Hydrogels for Enhanced Abdominal Wall Defect Repair為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》，上海科技大學(xué)碩士研究生李子劍及華東醫(yī)院董文培博士為本工作的共同第一作者。

圖1 材料的制備過程

如圖1所示通過控制海藻酸鈉和氯化鈣溶液的濃度，使材料形成致密交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提升其韌性和硬度。然而，盡管優(yōu)化了制備參數(shù)，CAIH的抗拉伸強度仍難以完全滿足天然腹壁肌肉的需求。為此，研究者團隊引入了機械訓(xùn)練的方式，在CaCl?溶液中對CAIH進行循環(huán)拉伸，迫使分子鏈重排并穩(wěn)定交聯(lián)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過300次拉伸訓(xùn)練后，制備得到具有分子鏈取向的MT-CAIH，顯著提升了材料的力學(xué)性能，為腹壁修復(fù)提供了新的可能性。

圖2 機械訓(xùn)練期間CAIH的WAXS和SAXS表征

通過原位廣角X射線散射（WAXS）和小角X射線散射（SAXS）技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)CAIH分子網(wǎng)絡(luò)在機械訓(xùn)練過程中從隨機分布逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨扔行虻娜∠蚪Y(jié)構(gòu)。在拉伸和循環(huán)訓(xùn)練中，螯合的“蛋盒”結(jié)構(gòu)充當(dāng)多功能交聯(lián)模塊，水分子的增塑效應(yīng)促進分子鏈沿拉伸方向排列，非晶區(qū)的自由體積逐漸減少。經(jīng)過100次循環(huán)，分子取向趨于穩(wěn)定，材料厚度達到平衡，WAXS 和 SAXS 圖譜中的取向強度各向異性逐漸增加（圖 2A）；如圖2B所示，方位角積分的各向異性強度（方位范圍為140°-260° 和280°-400°）在機械訓(xùn)練過程中逐步增強，表明分子取向的隨訓(xùn)練逐漸增強。經(jīng)過300次循環(huán)，模量顯著提高至初始值的5倍(圖 2C)。這一過程展現(xiàn)了CAIH分子網(wǎng)絡(luò)對機械刺激的不可逆響應(yīng)，取向的積累最終增強了材料的力學(xué)性能。

圖3 機械訓(xùn)練誘導(dǎo)的CAIH結(jié)構(gòu)重塑

如圖3A所示。研究者團隊通過對制備膜具的控制制備出一條尺寸為5 × 10 cm的MT-CAIH條帶，可以實現(xiàn)MT-CAIH的規(guī)模化制造。在偏振光下，MT-CAIH條帶呈現(xiàn)出明顯的取向圖案（圖3B），這歸因于機械訓(xùn)練引發(fā)的高度取向交聯(lián)分子網(wǎng)絡(luò)。與未經(jīng)訓(xùn)練的CAIH相比，MT-CAIH的微觀結(jié)構(gòu)顯示出沿訓(xùn)練方向的明顯排列，類似于天然纖維的層次結(jié)構(gòu)，如動物絲和膠原蛋白（圖3C, D）。此外，研究者團隊實現(xiàn)了對材料的雙向機械訓(xùn)練，即在兩個垂直方向上施加應(yīng)力，促進了CAIH內(nèi)部結(jié)構(gòu)在多軸應(yīng)力下的重構(gòu)（圖3E, F），得到的材料標記為PDMT-CAIH。偏振光圖像（圖3H）顯示材料內(nèi)部沒有明顯的取向，表明其結(jié)構(gòu)均勻。進一步通過掃描電子顯微鏡觀察PDMT-CAIH的微觀結(jié)構(gòu)（圖3I和圖3J），展示了致密的橫截面和粗糙的表面紋理。

圖4 CAIH的力學(xué)性能

為了深入探討所制備材料的力學(xué)性能，研究者團隊對不同制備狀態(tài)下的CAIH、MT-CAIH和PDMT-CAIH進行了力學(xué)性能分析。如圖4A-B所示，MT-CAIH在平行于訓(xùn)練方向的拉伸測試中表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，強度和模量分別達到了16.87 MPa和11.52 MPa，分別是PDMT-CAIH和CAIH的2倍和22倍。然而，MT-CAIH在垂直于訓(xùn)練方向的力學(xué)性能遠遜色于平行方向，表現(xiàn)為應(yīng)力和模量分別降至1.18 MPa和0.65 MPa，接近未訓(xùn)練的CAIH。由此，MT-CAIH更適用于單向受力的應(yīng)用場景，例如，0.79g的MT-CAIH條帶可以承受超過其1265倍的重物。相比之下，PDMT-CAIH在微觀結(jié)構(gòu)上發(fā)生了取向排列，但在宏觀尺度上呈現(xiàn)無規(guī)則分布（圖3G-J）。這種各向同性的結(jié)構(gòu)賦予了PDMT-CAIH良好的方向穩(wěn)定性，使其在腹壁修復(fù)等多方向受力的應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，且在應(yīng)力和模量方面分別較初始CAIH提高了4倍和3倍。因此，PDMT-CAIH成為了后續(xù)研究的主要對象。與其他生物質(zhì)凝膠材料相比，MT-CAIH的斷裂能和韌性在平行于訓(xùn)練方向時達到8033 kPa和7600 J/m2，約為現(xiàn)有堅韌水凝膠的5倍（圖4D）。此外，MT-CAIH和PDMT-CAIH的楊氏模量、斷裂強度和韌性與皮膚、軟骨相匹配，遠優(yōu)于大多數(shù)合成凝膠，其韌性和楊氏模量分別高出傳統(tǒng)水凝膠30倍和200倍。MT-CAIH的優(yōu)異力學(xué)性能還與軟組織如皮膚、肌肉和軟骨的力學(xué)性能高度契合（圖4G），進一步證明了其在腹壁缺損修復(fù)及術(shù)后組織修復(fù)中的應(yīng)用潛力。

圖5 腹壁缺損體內(nèi)修復(fù)實驗

為了評估PDMT-CAIH在腹壁缺損修復(fù)中的效果，研究者團隊在大鼠的腹壁上制造一個2 cm×1 cm的缺損傷口，隨后分別將PDMT-CAIH、CAIH及PP補片通過IPOM法固定在缺損區(qū)域，并對其進行皮膚縫合（圖5A）。在術(shù)后4周，PDMT-CAIH組的腹壁缺損區(qū)域已經(jīng)被再生的纖維結(jié)締組織填充，且組織內(nèi)可見新生血管。而CAIH組由于力學(xué)支撐不足，在腹壓影響下出現(xiàn)了少量膨出，導(dǎo)致再生腹壁組織較為薄弱。在術(shù)后8周，PDMT-CAIH組再生的腹壁組織厚度與正常腹壁相近，結(jié)構(gòu)完整；而CAIH組則顯示出薄弱的再生組織，并且出現(xiàn)了自修復(fù)區(qū)域的膨出。通過體內(nèi)觀察發(fā)現(xiàn)，CAIH在8周后出現(xiàn)了明顯的降解跡象，提示其在體內(nèi)逐漸被吸收。相比之下，PDMT-CAIH的降解速度較慢，盡管部分區(qū)域有降解現(xiàn)象，但其整體結(jié)構(gòu)保持得較為穩(wěn)定。體外的21天降解實驗也印證了這一點，PDMT-CAIH的結(jié)構(gòu)完整性相比CAIH更加持久。這是由于機械訓(xùn)練引起了CAIH內(nèi)分子鏈的高度取向和緊密排列，增強了材料的穩(wěn)定性和抗降解能力。與之相比，PP組材料在實驗過程中未出現(xiàn)任何降解現(xiàn)象，表明其降解速率極低。綜合來看，PDMT-CAIH在腹壁缺損修復(fù)中表現(xiàn)出了更強的組織再生能力和更優(yōu)異的降解性能，尤其在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗降解性方面相較于CAIH和PP組具有明顯優(yōu)勢，證明了其在臨床應(yīng)用中的潛力。

圖6 CAIHs的體內(nèi)生物相容性研究

免疫組化染色分析顯示，CAIHs組的CD68和IL-6表達明顯低于PP組，提示CAIHs材料沒有引發(fā)顯著的炎癥反應(yīng)。在術(shù)后第4周，PP組修復(fù)區(qū)域的炎癥反應(yīng)較為明顯，表現(xiàn)為較多的巨噬細胞、粒細胞等炎癥細胞的浸潤（如圖6A所示）。相比之下，CAIHs組的炎癥細胞浸潤較少，表明該材料有助于降低慢性炎癥反應(yīng)。PDMT-CAIH組則表現(xiàn)出最少的巨噬細胞浸潤，尤其在支架材料修復(fù)和降解區(qū)域，提示該組材料可能有更好的抗炎效果（圖6B）。到術(shù)后第8周，PDMT-CAIH組的IL-6陽性細胞顯著減少，炎癥反應(yīng)減弱。通過HE染色進一步觀察，CAIHs植入?yún)^(qū)域在術(shù)后有大量細胞浸潤，包括巨噬細胞、成纖維細胞和粒細胞等。部分區(qū)域還可見新生血管的形成。此外，還觀察到異物巨細胞（FBGCs）的形成，它們有助于降解支架材料。整體來看，CAIHs材料在體內(nèi)表現(xiàn)出良好的細胞浸潤能力和適度的降解特性，能夠平衡促炎與抗炎反應(yīng)，避免過度免疫反應(yīng)，并促進組織修復(fù)（圖6F）。

總結(jié)：該研究通過不依賴化學(xué)添加劑的方式增強海藻酸鹽基水凝膠的力學(xué)性能，成功制備了不同力學(xué)特性的增強型的CAIHs。MT-CAIH在機械訓(xùn)練方向上的應(yīng)力和模量分別為16.87 MPa和11.52 MPa，分別是CAIH的7倍和22倍；而PDMT-CAIH則展現(xiàn)出均勻的應(yīng)力，是CAIH的3倍。此外，CAIHs具備優(yōu)異的生物相容性、可降解性和無毒性，適合用于組織修復(fù)。尤其是由于其在各方向的均勻力學(xué)性能，PDMT-CAIH被應(yīng)用于腹壁缺損修復(fù)。體外實驗表明其無細胞毒性，在大鼠模型中的體內(nèi)實驗也證實，PDMT-CAIH相比于PP網(wǎng)片，能夠顯著促進組織再生、減少纖維化、增強血管生成并減輕炎癥反應(yīng)。此外，機械訓(xùn)練增強了PDMT-CAIH的抗降解性能，確保在愈合過程中材料保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時在最終降解時避免異物反應(yīng)。這項研究為通過機械訓(xùn)練技術(shù)提升生物材料性能提供了重要理論基礎(chǔ)，并為腹壁修復(fù)提供了一種更安全且前景廣闊的替代方案，對組織工程也具有重要意義。

來源：高分子科學(xué)前沿