具有“分担负荷”作用的粘性水凝胶,可作为组织绷带用于药物和细胞的输送。

具有高水含量和生物相容性的水凝胶在生物医学领域有多种应用,例如癌症,糖尿病,和心血管疾病。将粘合性能纳入水凝胶可以显着扩展应用。尽管所有先前的工作都清楚地表明了粘合水凝胶的巨大潜力,但粘合主要是基于水凝胶与基材之间的直接化学反应,并且会散发大量能量。还开发了基于物理相互作用的粘合剂水凝胶,例如涉及贻贝启发的邻苯二酚官能团的粘合剂。但是,邻苯二酚基团很容易被空气中的氧气氧化为醌基团,这可能会限制它们的长期和可重复的粘合性能。

日前,康奈尔大学Minglin Ma团队报告了一种新型的具有高氢键密度的粘性水凝胶,该凝胶利用了“三重氢键簇”(THBC)的负载分担效应。当作为侧基结合到水凝胶基质中时,即使没有任何化学反应,THBC也会导致水凝胶对包括玻璃和薄纸在内的一系列表面产生强力粘附。基于这种水凝胶,进一步开发了两种创新的,绷带状的治疗性医疗器械,分别用于治疗肝癌和1型糖尿病。。相关工作以“An Adhesive Hydrogel with“Load‐Sharing” Effect as Tissue Bandages for Drug and Cell Delivery”为题发表在《Adv. Mater》上。

没有化学反应也能粘合!《AM》:具有“分担负荷”作用的粘性水凝胶,可作为组织绷带用于药物和细胞的输送。

THBC粘合水凝胶的合成

研究人员将THMA与APMA进行了共聚,可促进交联和盐置换。THBC粘合剂水凝胶可粘附在各种表面上,例如玻璃,塑料,聚四氟乙烯(PTFE),不锈钢,木材和橡胶。此外,含80%THMA的p(APMA- co‐THMA)水凝胶对小鼠肝脏也具有高度粘附性。

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粘合水凝胶示意图

由于离子性质而引起的STTP交联在生理条件下(例如,在盐水中)缺乏必要的稳定性,这使其在长期体内应用中具有挑战性。因此,研究人使用氧化葡聚糖(Dex-CHO)来化学交联相同的p(APMA-co- THMA)共聚物,以增强其稳定性。

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Dex-CHO交联形成可生物降解的粘合剂水凝胶的示意图

THBC粘合水凝胶应用

为了利用组织粘附特性并证明水凝胶的治疗潜力,研究人员设计了具有器官特异性,持续药物释放的内部绷带,并在首次应用肝癌时选择了其作为模型,发现p(APMA- co -THMA)/Dex-CHO粘合水凝胶绷带可以使药物直接释放到肝脏,减轻快速清除率,并改善肿瘤吸收。

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药物释放绷带

为了评估粘性水凝胶绷带是否可以抑制肿瘤生长并提高生存率,研究人员进行了长期实验,治疗患有原位Luc-HepG2肝肿瘤的SCID小鼠。发现使用水凝胶绷带将顺铂以持续方式直接递送至肿瘤部位可以带来更高的治疗效果,而副作用更少。

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水凝胶绷带递送顺铂

为了证明内部水凝胶绷带的多功能性,研究人员探索了用于1型糖尿病(T1D)治疗的胰岛素产生细胞的递送。开发了一种“细胞绷带”,其中使用p(APMA- co- THMA)粘合水凝胶将包裹胰岛的藻酸盐水凝胶薄板粘合到腹膜腔内的体壁上。使用这种双层水凝胶绷带,将大鼠胰岛递送到化学诱导的糖尿病C57BL / 6小鼠中。在藻酸盐层中可见具有高活力的胰岛。移植后不久,所有糖尿病小鼠的血糖(BG)水平均降至正常血糖范围。

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胰岛绷带

总结

研究人员开发的水凝胶粘附机理归因于氢键的高密度和THBC的独特ELS构型。在水凝胶中,氢键可能会在界面和主体中形成,从而在两个地方都耗散能量。与存在相同密度的键但均匀分布在界面上的情况相比,粘合剂层的ELS效果导致更强的粘合力。研究人员利用了体内对组织的稳定粘附力,并设计了内部绷带用于抗肿瘤药物递送或1型糖尿病细胞替代治疗。虽然需要更多的工作来将粘合剂水凝胶转化为临床应用,但这项研究提供了其在开发用于药物和细胞递送的内部绷带方面的潜在用途的概念证明。

 

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001628

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