热敏性柠檬酸盐基贻贝启发的攻防一体化生物粘合剂促进复杂伤口愈合

《Bioactive Materials》：Thermosensitive citrate-based mussel-inspired attack-defense integrated bioadhesives facilitate complicated wound healing

本研究针对复杂伤口治疗中缺乏同步解决伴发疾病与促进愈合的综合策略这一难题，开发了一种新型热敏性柠檬酸盐基贻贝启发生物粘合剂（TCMBAs）。该粘合剂在室温下可注射，体温下快速凝胶化，兼具强湿组织粘附性、自愈合能力、高弹性及快速降解特性。其固有的光热转换效率可实现温和光热疗法（PTT），有效杀灭病原菌和癌细胞，在感染性伤口和癌性伤口模型中展现出“攻防兼备”的多功能特性，显著促进愈合并抑制肿瘤复发与转移，为复杂伤口管理提供了创新平台。

　　

复杂伤口的治疗一直是临床面临的重大挑战，尤其是术后癌性伤口、感染性伤口和糖尿病慢性伤口等。这类伤口往往伴有细菌感染、肿瘤残留或代谢异常等问题，而传统的缝合、钉合等闭合方式不仅缺乏生物活性功能，无法有效止血、抑制肿瘤复发或促进愈合，还可能因密封不严导致微生物入侵。更棘手的是，伤口愈合与伴发疾病的治疗相互制约：感染会延迟愈合，而不愈合的伤口又会加重原有疾病，形成恶性循环。因此，开发一种能够同步实现“攻击”（清除病原菌、癌细胞）和“防御”（屏障保护、促进再生）功能的集成式组织粘合剂，成为再生医学领域的迫切需求。

近日，发表在《Bioactive Materials》上的一项研究，报道了一种名为“热敏性柠檬酸盐基贻贝启发攻防一体化生物粘合剂（TCMBAs）”的新型材料。该研究由南方医科大学第三附属医院基础医学院组织学与胚胎学系的Fu Meimei、Shi Qiankun、Zhao Yitao等研究人员合作完成。他们巧妙地将贻贝强大的湿粘附能力、柠檬酸盐的多功能代谢调控特性以及光热治疗技术相结合，成功构建了一种多功能生物材料平台，为复杂伤口的综合管理提供了全新的解决方案。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了几项关键技术：首先，他们通过一步法反应合成了含钙离子的水溶性可注射柠檬酸盐基贻贝启发生物粘合剂预聚物（iC-E-Ca²⁺），并利用紫外-可见光谱（UV-vis）和衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）对其结构进行了表征。其次，通过将预聚物与不同比例的三氯化铁（FeCl₃）在bicine溶液中混合，系统研究了混合物的热敏凝胶化行为，采用倾斜试验测定了最低溶胶-凝胶转变温度（T_gel），并利用流变学测试分析了材料的粘弹性、自愈合性能和温度响应性。第三，他们对粘合剂的物理化学性质进行了全面评估，包括溶胶/凝胶含量、溶胀比、体外降解行为、力学性能（拉伸、压缩）以及对不同基材（塑料、玻璃、金属）和湿猪皮的组织粘附强度。第四，研究人员重点考察了材料的光热性能，使用808 nm近红外（NIR）激光照射并利用红外热成像仪监测温度变化，评估了其光热转换效率、稳定性和循环使用性能。第五，通过体外Transwell共培养模型，研究了TCMBAs在NIR照射下对金黄色葡萄球菌（S. aureus）、大肠杆菌（E. coli）以及4T1小鼠乳腺癌细胞的杀伤效果，并采用活/死染色、菌落计数、结晶紫染色等方法进行定量和定性分析。最后，研究团队建立了小鼠感染性全层皮肤切口模型和术后癌性伤口模型，通过体内实验评估了TCMBAs的止血能力、促进伤口愈合、抑制肿瘤复发和转移的效果，并利用组织学染色（H&E、Masson trichrome）、免疫荧光染色（CD31, TNF-α, CD86, CD206）、免疫组化染色（IL-1β, IL-10）以及TUNEL染色等技术对组织再生、血管生成、炎症反应和细胞凋亡/焦亡等情况进行了深入分析。

3.1. TCMBAs的开发和表征

研究人员首先成功合成了iC-E-Ca²⁺预聚物。通过将柠檬酸（CA）、聚乙二醇-嵌段-聚丙二醇-嵌段-聚乙二醇（EPE）和多巴胺（DP）进行熔融缩聚，随后与碳酸钙（CaCO₃）反应，得到了水溶性的预聚物。紫外光谱在280 nm处的吸收峰证实了儿茶酚羟基的存在，FTIR光谱中1620 cm^-1处的酰胺键和735 cm^-1处的苯环特征峰进一步证明了多巴胺的成功引入。

将iC-E-Ca²⁺预聚物溶液与FeCl₃的bicine溶液混合后，得到的TCMBAs表现出优异的热敏凝胶化特性。该混合物在室温（25 °C）下为液体，在体温（37 °C）下可在3-46秒内迅速转变为水凝胶，并且这一过程是可逆的。研究表明，TCMBAs的最低凝胶转变温度（T_gel）在28–42 °C范围内可调，受Fe³⁺/儿茶酚摩尔比（R_Fe/cat）、bicine溶液pH值以及预聚物浓度共同调控。流变学测试显示，凝胶化后材料的储能模量（G′）显著高于损耗模量（G″），证实了水凝胶网络的形成。这种热敏特性源于EPE嵌段共聚物的热敏行为以及Fe³⁺与儿茶酚基团之间的配位作用的协同效应，而bicine作为两性离子化合物，其与Fe³⁺在不同pH下的螯合模式起到了pH敏感性调节作用。

对TCMBAs的物理和机械性能测试表明，其溶胶含量低于20%，溶胀比在200%至1000%之间。材料的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率可通过改变R_Fe/cat进行调节，表明交联密度可控。得益于可逆的铁-儿茶酚配位和离子键，TCMBAs表现出快速形状适应性和显著的自愈合能力，切割后的水凝胶片段时间内可重新融合。更重要的是，TCMBAs对多种基底（塑料、玻璃、金属）以及湿猪皮组织均表现出强大的粘附力，其lap-shear粘附强度（最高可达~27 kPa）显著高于商业化的纤维蛋白胶（<5 kPa）。

3.2. TCMBAs的光热性能及光热抗菌和抗癌特性

TCMBAs中的儿茶酚基团及其与Fe³⁺的配位赋予了材料固有的光热转换能力。在808 nm NIR激光（0.5 W/cm²）照射下，TCMBAs能迅速升温，并在3分钟左右达到约48 °C的平台温度。这种光热效应具有高度的可重复性和空间局部性。值得注意的是，NIR照射不仅没有削弱粘附力，反而显著增强了TCMBAs对玻璃和猪皮组织的粘附强度，这可能与局部加热引起的聚合物链扩散和重组有关。

体外抗菌实验表明，TCMBAs本身对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）就具有一定的抑制作用，而在NIR照射10分钟后，对两种细菌的抑制率均达到99%以上，并能有效破坏已形成的细菌生物膜。同样，在体外抗癌实验中，TC-Fe1/9联合NIR照射能有效杀死4T1小鼠乳腺癌细胞，5分钟照射即可使激光 spot中心区域的细胞存活率低于10%。这种光热杀伤效应主要归因于局部高温（>50 °C）对细胞膜和细胞器的直接损伤。

3.3. TCMBAs的体内治疗性能

在SD大鼠断尾模型中，TC-Fe1/9表现出优异的止血能力，止血时间和失血量均显著低于对照组和纤维蛋白胶组，这得益于其强大的组织密封能力和钙离子促进凝血的作用。溶血实验证实TCMBAs具有良好的血液相容性。

在小鼠感染性全层皮肤切口模型中，TC-Fe1/9处理组，特别是联合NIR照射组，在术后第3天伤口处的细菌载量显著低于缝合组和纤维蛋白胶组，并与未感染组相当。在整个14天的观察期内，TC-Fe1/9±NIR组表现出更快的伤口闭合速度、更丰富的胶原沉积（Masson和COL1A1染色）和更显著的血管生成（CD31染色）。第14天时，TC-Fe1/9±NIR组愈合皮肤的力学强度也显著高于对照组。

在术后癌性伤口模型中，研究结果尤为引人注目。单纯手术缝合或使用纤维蛋白胶处理的小鼠，在术后21天内均出现了不同程度的肿瘤局部复发和肺转移。而TC-Fe1/9处理组部分抑制了肿瘤复发，但到第21天时，仅有40%的小鼠保持无瘤状态。令人振奋的是，TC-Fe1/9联合NIR照射组的所有小鼠在整个实验期间均未出现肿瘤复发和远处转移，并且伤口愈合情况最佳。组织学分析显示，TC-Fe1/9+NIR组手术区域无肿瘤残留，组织结构恢复正常，肺部未见转移结节。进一步的免疫微环境分析发现，TC-Fe1/9能诱导肿瘤区域M1型巨噬细胞（CD86⁺）极化并高表达肿瘤坏死因子-α（TNF-α），促进肿瘤细胞凋亡；而在联合NIR彻底清除肿瘤后，伤口局部呈现出有利于正常组织再生的免疫环境。主要器官的H&E染色未发现明显病理变化，表明TCMBAs具有良好的生物安全性。

综上所述，这项研究成功开发了一种新型热敏性柠檬酸盐基贻贝启发生物粘合剂（TCMBAs）。该材料创新性地整合了便捷的热敏注射成型、强大的湿组织粘附、快速降解、自愈合、弹性以及固有的光热治疗能力。其独特的“攻防一体化”设计理念，通过Fe³⁺诱导的铁死亡（ferroptosis）、柠檬酸盐的双向代谢调控以及温和光热疗法（PTT）的协同作用，在感染和癌性复杂伤口模型中实现了同步抗菌、抗肿瘤、促进组织再生和抑制转移的多重目标。TCMBAs作为一种无需负载外源药物的组织粘合剂，不仅扩展了热敏水凝胶的功能范畴，更重要的是为复杂难治性伤口的临床治疗提供了一个极具前景的多功能平台，代表了组织工程和再生医学材料设计范式的重要进展。