关于双层PVA/SPH水凝胶的制备与表征研究：该水凝胶具有机械增强性能和抗粘附特性，可用于腹部疝气的修复

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Study on the preparation and characterzation of a double-layer PVA/SPH hydrogel with mechanical enhancement and anti-adhesion for the repair of abdominal hernia

本研究开发了一种新型PVA/SPH复合Janus疝修补贴，外层PVA通过冷冻干燥和硫酸钠处理提升至5.9±0.66 MPa机械强度，内层SPH（海藻酸钠/PVA/壳聚糖）3D打印结构实现抗粘附和抗菌功能。细胞实验证实无显著毒性，动物模型显示其抗粘附和再生性能优于商用聚丙烯补片，为腹壁缺损修复提供了集成抗粘附、机械支撑和抗菌特性的创新方案。

　　

郝瑞志|朱琪|连晓杰|杨波|秦婷薇|黄迪

太原理工大学生物医学工程学院纳米生物材料与再生医学研究中心，生物医学工程系，中国太原030024

摘要

这种用于无张力修复手术的可植入贴片克服了传统手术对正常组织解剖结构的干扰。然而，临床贴片无法同时满足机械性能和抗粘连要求，从而导致手术效果不佳。为此，开发了一种新型的PVA/SPH复合Janus疝修补贴片用于腹壁重建。外层采用优化的聚乙烯醇（PVA）制成，以提高机械性能；内层则通过3D打印技术使用海藻酸钠/聚乙烯醇/壳聚糖季铵盐（SPH）制成。外层的抗拉强度可达（5.9±0.66）MPa。此外，其致密且亲水的表面能显著减少L929成纤维细胞的黏附。通过细胞计数试剂盒-8和活/死细胞检测法评估L929细胞的存活情况，结果显示PVA/SPH没有明显的细胞毒性。抗菌实验表明，内层对金黄色葡萄球菌具有显著的抗菌效果。在Sprague-Dawley（SD）大鼠实验中，与商用聚丙烯（PP）贴片相比，该贴片在抗粘连和组织再生方面表现更优。研究表明，PVA/SPH水凝胶贴片通过结合抗粘连和修复缺陷的功能，并具备更好的机械性能，为临床腹疝治疗提供了有效的解决方案。

引言

在过去二十年里，由于每年进行的疝手术数量达到2000万例，疝病受到了全球卫生界的广泛关注[1]。腹壁和盆腔壁疝的经典定义是肌肉壁上的薄弱点或开口，腹腔或盆腔结构通过这些开口突出[2]。最常见的疝类型包括切口疝、腹股沟疝、脐疝和造口旁疝[3]。手术治疗在医疗中仍起着重要作用，但常常伴随不良副作用，可能导致手术期间和术后的并发症[4],[5]。近年来，无张力修补技术因避免对周围组织的牵拉而受到越来越多的关注，从而显著减少了术后复发率[6]。现代疝修补方法包括手术植入网片以有效加强薄弱的腹壁并促进恢复[7]。尽管贴片显著提高了临床效果，但开放式修补仍存在一些不可避免的并发症，如疼痛、感染和复发[8]。 聚丙烯（PP）贴片因其出色的生物相容性和机械性能而被广泛用于疝修补[10]。然而，明显的异物反应和黏附现象会加速纤维化，进而可能导致慢性疼痛和活动受限[1],[11],[12]。涂有胶原基抗粘连层的Parietex复合（PCO）贴片能有效防止内脏黏附，但其机械性能仍不尽如人意[13]。此外，术后还可能出现血清肿形成、贴片移位、慢性疼痛和手术部位感染等问题，这些都会干扰愈合过程[14]。因此，如何设计一种兼具抗粘连、优异机械性能和抗菌性能的多功能贴片，是实现软组织缺陷高效修复的关键科学问题。 传统材料多为编织纤维，容易导致局部炎症和组织整合不良[15],[16]。手术植入贴片旨在改善软组织愈合，减少术后发病率以及与植入物相关的慢性疼痛和并发症[17],[18]。良好的设计策略对于降低感染和内脏黏附的风险至关重要，同时还需要提供强大的机械支撑并具备成本效益，以适应广泛的应用场景[3]。水凝胶因其简单的组成[19],[20]或化学修饰/物理掺杂，在组织工程中得到广泛应用[21],[22]。然而，由于其机械耐久性相对有限，水凝胶通常作为表面涂层使用，以降低组织黏附或提高疝修补材料的生物相容性[23],[24]。将3D打印支架引入腹壁疝修复，使研究人员能够为疝修复提供必要的机械强度[7]。3D打印的可调节结构特性和丰富的打印材料选择，使其成为开发创新疝修补材料的研究热点[25],[26]。 海藻酸钠（SA）是一种具有高生物相容性、低毒性和良好流变特性的天然聚合物，常用于3D打印组织再生的多孔框架构建[27],[28]。为了提高其可打印性，通常会加入聚乙烯醇（PVA）等生物聚合物[29]。PVA是一种两亲性大分子，具有疏水骨架和亲水侧链，因其可生物降解性、生物相容性和无毒性而适用于皮肤和骨骼组织修复及水凝胶基质形成[30],[31],[33],[32]。另一种关键材料是羟丙基三甲基氯化壳聚糖（HACC），这是一种季铵化壳聚糖衍生物，通过醚化引入永久正电荷而表现出强抗菌活性[36],[35]。将HACC加入修复材料有助于防止手术部位感染。 当前的研究越来越多地关注多层或复合设计，以提升腹壁和疝修补贴片的性能。例如，通过结合3D打印和静电纺丝技术使用聚己内酯（PCL）、聚乙烯醇（PVA）和生物活性肽制成的双层复合贴片，在体内表现出足够的机械强度和降低内脏黏附的效果，表明分层结构比传统单层网片更能改善生物和机械性能[37]。此外，通过3D打印、静电喷涂和静电纺丝技术结合制备的Janus三层复合贴片，通过空间组织不同的致密层和多孔层，实现了抗粘连、抗变形和组织再生功能[38]。其他方法如具有高度多孔和致密界面的双功能贴片进一步突显了控制界面结构在平衡组织支持和防止黏附方面的价值[39]。在本研究中，通过冻融处理和3D打印结合的方式制备了一种新型双层贴片，为腹壁缺陷提供稳定的机械支撑。该设计模拟了腹膜的生理功能，兼具抗粘连、机械强度和促进成纤维细胞生长的特性。外层通过冻融循环形成致密的PVA层，然后浸入硫酸钠溶液中诱导盐析，通过链缠结和氢键作用增强结晶度和机械性能[40]。内层由含有HACC的多孔3D打印SA/PVA支架构成，形成抗菌微环境，加速伤口愈合。与现有方法相比[42],[41]，我们的冻融-3D打印双层贴片制备方法能够精确控制微观结构分辨率，增强不同功能层之间的界面整合，并独立调节机械和生物功能（例如，内脏层的抗粘连性和壁层的组织生长支持）。这种组合提供了比单一工艺复合或涂层网片更高的性能控制和结构定制性。

材料

材料

海藻酸钠（SA）（粘度：200–500 mps）购自中国上海Yien化学科技有限公司。聚乙烯醇（PVA-1799）（粘度：27–34 mps）购自中国上海Titan科技有限公司。壳聚糖季铵盐（HACC）购自中国MackLin公司。所有其他化学品和试剂均为分析级。

外层贴片的制备

简要来说，将14.4克PVA溶解在80毫升去离子水中，在90°C下搅拌2小时。完全溶解并冷却后...

外层支架的形态和结构

图2展示了不同浓度硫酸钠溶液浸渍后的SEM图像及其局部放大图。通常，在盐析过程中，离子、聚合物链和聚合物的水合层之间可能存在三种相互作用[46]。本研究中使用的SO₄^2-具有两种显著效应[28]：首先，它会破坏围绕聚合物的水合水分子，从而打破氢键...

结论

本研究中的外层支架由致密的PVA膜构成，起到伤口部位的保护屏障作用。PVA（浸泡在0.7M Na₂SO₄中）和SPH（比例5:6:1）的复合结构优化了腹壁腹膜和肌肉的梯度结构和功能。这种双层支架通过冻融和3D打印技术结合制备，增强了其结构完整性和伤口修复效果...

数据获取

数据可应要求提供。

作者贡献声明

杨波：验证、方法学、概念设计。 朱琪：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学、研究、数据分析、概念设计。 连晓杰：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法学、资金获取、概念设计。 秦婷薇：验证、方法学、概念设计。 黄迪：资源协调、方法学、概念设计。 郝瑞志：撰写 – 审稿与编辑。

未引用的参考文献

[43],[44]。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国山西省奖学金委员会（编号2024-042）、山西省基础研究计划（编号202503021211038和20210302123132）、山西省功能性蛋白质重点实验室共建协议（编号213310462-J）、以及国家自然科学基金（编号12272253）的支持。