摘要

水凝膠表現出作為栓塞劑的潛力，然而，血管凝膠的外部刺激難以操控，生物相容性差，剪切變薄的水凝膠有被沖走的風險。 本文報道了一種用于血管內栓塞的血液觸發相變水凝膠。 首先，將季銨化殼聚糖（QCS）、單寧酸（TA）和碘己醇(I)溶液混合，制備不透射線且可注射的QCS/TA/I （QTI）水凝膠。 血液中的Na+在接觸血液后，可以與凝膠網絡形成配位鍵，增加交聯密度，從而使可注射的軟質水凝膠在不需要任何其他操作的情況下，轉變為鑄造硬化的QTI-血水凝膠。 此外，QTI水凝膠的注射力和完全轉化時間以及衍生水凝膠的力學性能都是可調節的，這有助于根據不同病變定制栓塞劑。 在動物實驗中，QTI水凝膠對家兔腎動脈、股動脈破裂，以及豬腎動脈、股深動脈（直徑≈4mm）、網狀結構奇異視網膜的栓塞均有療效和安全性。 這項工作不僅開發了一種新的液體栓塞劑，而且揭示了血液觸發相變的新策略。

背景簡介

血管內栓塞是一種微創手術，可用于治療出血性病變、動靜脈畸形、動脈瘤和實體瘤，方法是選擇性地將栓塞劑輸送到患病或受傷的血管中以閉塞它們。在血管內栓塞期間，栓塞劑的性質通過選擇性地將栓塞劑遞送到患病或受傷的血管中以閉塞它們來直接改善畸形、動脈瘤和實體瘤。在血管內栓塞過程中，栓塞劑的性質直接影響手術的治療效果。固體栓塞劑（如彈簧圈、聚乙烯醇和明膠顆粒）和液體栓塞劑[如氰基丙烯酸正丁酯（nBCA）、Onyx（由乙烯-乙烯醇共聚物、鉭粉顆粒和二甲亞砜組成）和沉淀疏水注射液（PHIL）]廣泛用于臨床。由于固體栓塞劑的尺寸和幾何形狀固定，難以栓塞不規則的靶部位和遠端小血管。液體栓塞劑在接觸血液時可形成管型，并進入導管和固體栓塞劑無法到達的目標。n-BCA由N-丁基-2-氰基丙烯酸酯組成，在與血液接觸時發生放熱聚合（80-90 °C），原位形成粘性膠，可能破壞血細胞、血管壁和鄰近組織。聚合后，這種粘性膠很容易粘附在導管頭端，導致難以撤回微導管，導致異位栓塞和血管牽拉和破裂。Onyx和PHIL均使用二甲基亞砜（DMSO）作為溶劑，其可引起血管痙攣以及神經和心血管毒性。因此，必須開發新的液體栓塞劑來解決這些問題并滿足臨床需求。近年來，由生物相容性聚合物和水組成的水凝膠由于其良好的生物相容性和可調節性而被認為是栓塞劑的潛在候選者。由pH、光和金屬離子觸發的原位凝膠化已用于血管內栓塞。然而，用于血管內凝膠化的外部刺激通常難以操作或可能對血管壁有害，這限制了它們進一步臨床應用的潛力。例如，Kim及其同事報告了一種原位形成的雙交聯藻酸鹽基水凝膠，該水凝膠由無害的可見光照射和血液中的Ca 2+觸發，這使外科手術復雜化。此外，Zhang及其同事使用溫和的酸性刺激來觸發動脈瘤中微凝膠的焊接，這可能導致血管的強烈收縮，炎癥，細胞損傷，血栓形成和患者的劇烈疼痛。此外，可注射和剪切稀化水凝膠也顯示出良好的可注射性和栓塞性能。Oklu等人通過將帶負電荷的納米粘土與絲、細胞外基質、凍干血小板血漿和明膠混合，制造了一系列可注射水凝膠，可用作新型液體栓塞劑。然而，這些剪切稀化水凝膠處于被沖走的風險下。因此，仍然需要開發具有良好生物相容性和易用性以及更安全和更有效的栓塞性能的水凝膠栓塞劑。

研究概況

本研究報道了一種由季銨化殼聚糖（QCS）、單寧酸（TA）和碘海醇（I）組成的血液觸發相轉變水凝膠，它可以在接觸血液時發生相轉變，從柔軟的可注射水凝膠轉變為澆鑄和硬化的QTI-血液水凝膠，而無需任何其他操作。首先，QCS/TA（QT）水凝膠可以通過混合QCS和TA水溶液，由于它們的適度的靜電相互作用和氫鍵，制備具有剪切變稀性能的軟的和可注射的QCS/TA（QT）水凝膠。將臨床使用的水性造影劑碘海醇摻入QT水凝膠中，以制備不透射線的QCS/TA/I（QTI）水凝膠。由于血液中生理濃度的Na+可與凝膠網絡中的TA形成配位鍵，增加交聯密度，因此當接觸血液時，柔軟的可注射QTI水凝膠發生相轉變，形成澆鑄的、硬化的和穩定的QTI-血液水凝膠。此外，通過改變QCS和TA的濃度，可以調節QTI水凝膠的注射力和完全相變時間，以及QTI衍生水凝膠的力學性能，這有助于根據不同病變定制栓塞劑。在動物實驗中，首先比較了QTI水凝膠和n-BCA在兔腎動脈和股動脈破裂模型中的栓塞性能。然后，栓塞豬腎動脈、股深動脈和奇異網，以進一步證明QTI水凝膠的栓塞性能。由于其易于制備和使用，生物相容性，可調節的特性和有效的栓塞性能，這種血液觸發相轉化QTI水凝膠有望成為血管內栓塞的下一代液體栓塞劑。

圖 1.從柔軟的和可注射的季銨化殼聚糖/單寧酸/碘海醇（QCS/TA/I，QTI）水凝膠到在接觸血液時澆鑄和硬化QTI-血液的相變機制和過程（上）及其在兔和豬模型中的血管內栓塞的應用（下）。

圖 2.37 °C下軟質可注射QTI水凝膠及其衍生的QTI-血液和QTI-Na水凝膠的制備和性能。a）注射QTI水凝膠的照片（左）和QTI水凝膠的應變掃描測量（頻率= 1Hz）（右）。B）QTI水凝膠的重復動態應變階躍測試（ε= 1%或1000%，頻率= 1Hz）。c）測試QTI水凝膠的注射力（左）和QTI水凝膠和PBS通過不同微導管的注射力（右）的實驗示意圖。d）軟QTI水凝膠、硬化QTI-blood和硬化QTI-Na水凝膠的照片，以及QTI-Na水凝膠的壓縮恢復性能。e）QCS、TA和干燥QTI凝膠的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜（左）和干燥QTI和QTI-Na凝膠的拉曼光譜（右）。f）QTI水凝膠在NaCl水溶液（140 mmol L-1）中的相變過程。g）在NaCl水溶液中含有不同QCS和TA濃度的QTI水凝膠的完全相變時間。h）將QTI水凝膠注射到模具中，用于澆鑄具有各種形狀的QTI-Na水凝膠。i）QTI和QTI-Na水凝膠的G′和G″。j）QTI-Na水凝膠在NaCl水溶液中的G′和G″的變化。k）QTI-Na水凝膠的應變掃描測量（頻率= 1Hz）。l，m）含有不同濃度QCS和TA的QTI-Na水凝膠的流變學l）和壓縮m）性質。n）具有不同濃度碘海醇和臨床造影劑碘油的QTI水凝膠的計算機斷層掃描（CT）和X射線熒光透視圖像（左）和CT值。ns：不顯著。*P < 0.05，**P < 0.01，*P < 0.001，* P <0.0001。*P < 0.0001。通過單因素方差分析（ANOVA）計算統計學顯著性。數據顯示為平均值±標準差（SD）。

圖 3. QTI水凝膠的生物相容性和生物降解性。a）生理鹽水、QTI水凝膠、n-BCA和去離子水（DI水）的溶血圖像（左）和溶血率（右）（n = 6）。B）QTI水凝膠和n-BCA與HUVEC共孵育后的活/死染色圖像（右）和細胞存活率（左）（n = 6）。c）樣品注射到皮下組織的示意圖。（d，e）接受QTI水凝膠和n-BCA植入的對照和實驗大鼠（n = 4）的血常規測試d）和血清生化測試e）。紅細胞：紅細胞，WBC：白色細胞，PLT：血小板、ALB：白蛋白，ALT：丙氨酸氨基轉移酶，AST：天冬氨酸轉氨酶，TP：總蛋白，CREA：肌酸酐，尿素：血尿素。f、g）蘇木精-伊紅（H&E）染色（上圖）和Masson染色（下圖）在7、14和28天時QTI水凝膠f）和nBCA g）周圍組織的代表性圖像（原始放大倍數× 1、× 20、× 100）。h，i）大鼠皮下移植后第7、14和28天（n = 4），QTI水凝膠和n-BCA周圍皮膚中肉芽組織h）和纖維組織i）的厚度。j）QTI水凝膠的體外降解（n = 3）。k）QTI水凝膠和n-BCA的體內降解（n = 4）。ns：不顯著。*P < 0.05，*P < 0.001，*P <0.0001，*P < 0.0001。使用ANOVA計算統計學顯著性。數據顯示為平均值± SD。

圖 4. 使用QTI水凝膠和n-BCA在新西蘭兔模型中進行腎動脈栓塞。a）經動脈栓塞的腎動脈栓塞示意圖。B）QTI水凝膠（上圖）和n-BCA（下圖）栓塞前后右腎動脈的數字減影血管造影（DSA），以及栓塞期間的X線透視圖像。c）在用QTI水凝膠（左）和n-BCA（右）栓塞之前和之后，兔腎臟的非增強計算機斷層掃描（NECT）、對比增強計算機斷層掃描（CECT）、計算機斷層掃描血管造影術（CTA）、彩色多普勒血流成像（CDFI）和對比增強超聲（CEUS）圖像。d）對照組、QTI水凝膠栓塞組和n-BCA栓塞組中兔腎的宏觀圖像（上圖）和腎實質的代表性H&E染色圖像（下圖）。e）QTI水凝膠和n-BCA組中腎實質的代表性H&E染色圖像（原始放大倍數× 1、× 20）。

圖 5. 兔股動脈出血栓塞模型。a）通過經動脈栓塞在兔模型中進行股動脈出血栓塞的示意圖。B）用QTI水凝膠（上圖）和n-BCA（下圖）栓塞前后破裂股動脈的DSA，以及栓塞期間的X線透視圖像。c）評估微導管撤回后QTI-血液水凝膠和n-BCA對微導管的粘附性。d）正常兔和用QTI水凝膠（左）和n-BCA（右）栓塞的兔在第7天和第28天的NECT、CECT、CTA和CDFI圖像。

圖 6. QTI水凝膠在豬腎動脈栓塞模型中的應用。A)經動脈栓塞法進行豬腎動脈栓塞術的示意圖。B)QTI水凝膠栓塞術前后腎動脈的DSA圖像，以及栓塞術中的X線透視圖像。C)QTI水凝膠栓塞后豬腎臟的NECT、CECT、MPR和CTA圖像。D)豬腎臟的肉眼圖像和有代表性的H&E染色圖像，顯示栓塞組和對照組腎臟實質。E)栓塞組和對照組腎動脈的大體圖像和典型的H&E染色圖像。(F)QTI水凝膠栓塞組(原始放大倍數×1、×20)腎實質有代表性的HE染色圖像。

圖7.使用QTI水凝膠在豬模型中進行股深動脈（PFA）和奇異網（RM）栓塞。a）使用QTI水凝膠栓塞PFA的示意圖。B）用QTI水凝膠栓塞之前和之后的PFA的DSA圖像，以及栓塞期間的X射線熒光透視圖像。c）用QTI水凝膠栓塞后豬PFA的CECT和MPR圖像。d）使用QTI水凝膠栓塞RM的示意圖。e）用QTI水凝膠栓塞之前和之后的RM的DSA圖像，以及栓塞期間的X射線熒光鏡圖像。f）用QTI水凝膠栓塞后豬RM的CECT和MPR圖像。

總結與討論

在這項研究中，制備了一種新的液體栓塞劑的基礎上軟和可注射的QTI水凝膠，它可以經歷相變，形成一個鑄件和硬化QTI-血液水凝膠接觸血液后，沒有任何其他外部刺激。首先，由于它們的適度靜電相互作用和氫鍵，通過混合QCS、TA和碘海醇水溶液容易地制備具有剪切致稀性質的柔軟的、可注射的和不透射線的QTI水凝膠。通過將QTI水凝膠以生理濃度（140 mmol L?1）添加到血液或NaCl水溶液中，Na+與TA形成配位鍵并增加網絡的交聯密度，導致從柔軟的可注射水凝膠到澆鑄和硬化的QTI-血液水凝膠的相變。由于Na+逐漸進入，相變從外層到內部發生，這使得QTI水凝膠通過血壓和注射力向前推進到小分支中。此外，通過改變QCS和TA的濃度，可以調節QTI水凝膠的注射力、完全相變時間以及QTI水凝膠的力學性能，這有助于根據不同病變定制栓塞劑。在兔子實驗中，QTI水凝膠栓塞腎動脈和破裂的股動脈，導致腎缺血性萎縮和有效止血。此外，與市售栓塞劑（n-BCA）相比，QTI水凝膠具有更好的血管內擴散性、非粘附性微導管行為和非放射性偽影，使其更便于使用和術后復查。此外，在豬模型中，QTI水凝膠可以有效栓塞終末器官動脈（例如腎臟的主腎動脈）、大型動脈血管（股深動脈，直徑約4 mm）和具有血管叢狀結構的奇異網，無需再通。最重要的是，血液觸發相變QTI水凝膠的關鍵優勢在于它不需要外部刺激，確保了良好的生物相容性和易用性，同時沿著更安全有效的栓塞性能。此外，通過調節QCS和TA的濃度可以控制完全相變時間，從而允許在不同病變中栓塞不同水平的血管。總體而言，QTI水凝膠顯示出幾個額外的優勢，包括優異的栓塞性能、良好的血管內擴散性、可調節的完全相變時間和機械性能、生物相容性、生物降解性、非粘附性導管行為以及不存在放射性偽影。這些特征使得QTI水凝膠不僅適用于血管內栓塞，而且適用于腫瘤消融和藥物遞送等輔助治療。

論文鏈接（DOI）：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202420440