术后粘连是腹部或盆腔手术最常的并发症，93%接受开腹盆腔手术的患者会出现这种病变。术后粘连会显著提高严重并发症的发病率，如急性肠梗阻、肠穿孔、慢性盆腔疼痛、女性不孕、泌尿系统功能障碍等等。粘连是附着在分离器官或腹内壁上的纤维带，它的形成涉及一系列的生理生化过程，例如愈合、纤维蛋白溶解I、炎症和血管生成。水凝胶独特的机械和生物性能在防止细胞粘附、浸润和粘连形成上具有广泛的应用前景。
NanoengineeredShear-ThinningHydrogelBarrierforPreventingPostoperativeAbdominalAdhesions
GuillermoU.Ruiz-Esparza,XichiWang,XingcaiZhang,SofiaJimenez-Vazquez,LilianaDiaz-Gomez,Anne-MarieLavoie,SamsonAfewerki,AndresA.Fuentes-Baldemar,RobertoParra-Saldivar,NanJiang,NasimAnnabi,BahramSaleh,AliK.Yetisen,AmirSheikhi,ThomasH.Jozefiak,SuRyonShin,NianguoDong,AliKhademhosseini*
Nano-MicroLetters()13:
本文亮点
1.开发了一种基于硅酸盐纳米颗粒和聚氧化乙烯的新型“纳米工程水凝胶”屏障(STHB)，以防止术后粘连的形成。
2.与其他水凝胶系统相比，本文所制备的“纳米工程水凝胶”既可注射又可喷雾，这使其方便用于微创修复。
内容简介
哈佛医学院的AliKhademhosseini课题组开发了一种由硅酸盐纳米颗粒(SNP)和聚氧化乙烯(PEO)组成的可注射和可喷雾的剪切稀化水凝胶屏障(STHB)，通过其独特的机械与物理性能防止术后粘连的形成。STHB在剪切应力下为液体状态，在递送后撤销所受剪切应力时恢复原始粘弹性固态，使其能够通过注射和喷雾的方式进行输送。体外研究表明，STHB可以显著减少成纤维细胞和巨噬细胞的粘附，细胞毒性低。此外，与市售防粘连产品相比，STHB在大鼠腹膜损伤模型的体内研究当中，显示出更低粘连指数评分，甚至没有粘连形成，说明STHB有效地防止了术后粘连的形成。同时，免疫组化分析显示免疫细胞浸润的减少，说明STHB具有良好的生物相容性。
图文导读
ISTHB的剪切稀化性能表征
改变不同浓度的SNP(5,8,10wt%)，来调整STHB的剪切稀化性能(图1a)。在剪切速率较低时，与5L3P和8L3P相比，10L3P组合显示更高的粘度(~Pas)，随着剪切速率增加，它们的粘度都降低，说明STHB的剪切稀化特性(图1b)。确定STHBs的线性粘弹性区域(LVR)为[0.-10strain(%)at1Hz]，储能模量G的平台表明STHB在变形时转变为液体状(图1c)。Tan(δ)与应力(strain)的关系确定弹性到粘性的转变点[tan(δ)=1]在~10strain(%)处(图1d)。1Hz的低(1%)和高(%)strains的多个G循环，证明STHB可自我恢复到其原始模量(图1e)。
图1.不同SNP配比的STHB的流变特性。(a)不同SNP配比的STHB配方；(b)粘度与剪切速率的关系；(c)应变(strain)与储能模量(G)的关系；(d)Tan(δ)与strain(%)的关系；(e)在低(1%)和高(%)strain的多个循环期间记录的G。
IISTHB的可注射与可喷雾性能研究STHB的可注射性能评估装置(图2a)。测试推注水凝胶所需的力(Force)随着时间呈线性增加，直到达到最大推注力平台(图2b)。测试评估了不同针尖直径注射器(18G,23G,27G)所需的注射力与不同SNP配比的关系，增加SNP的浓度和减少针尖直径会导致所需的注射力增加(图2c)。配备22G喷嘴的喷雾装置用来评估STHB的可喷雾性能(图2d-e)。在20cm喷射距离下，不同SNP配比的STHB喷雾总覆盖面积。随着SNP浓度增加，喷雾总覆盖面积减少(图2f)。捕获并量化喷雾覆盖的面积和平均斑点面积，SNP浓度增加会增加平均斑点面积(图2g-h)。
图2.STHB的可注射与可喷雾性能评估。(a)STHB的可注射性能评估装置；(b)测量推注水凝胶所需的力(Force)以确定最大注射力平台，单位:牛顿(N)；(c)不同针尖直径注射器和不同SNP的浓度所需的最大推注力;(d)STHB的喷雾装置；(e)STHB的喷雾装置的喷射参数；(f)在距离20cm，喷射5mLSTHB后测量总喷雾面积；(g)在距离20cm处，喷射0.1mLSTHB后捕获并量化STHB的斑点分布；(h)不同SNP浓度的STHB喷雾后的平均斑点面积。
IIISTHB体外防止细胞粘连和细胞活力评估为了评估细胞粘附，将3T3细胞接种在适合细胞粘附的聚四氟乙烯(PTFE)涂层基底上(阳性对照)，并与接种在STHB表面上的细胞进行比较(图3a)。24小时后，相对荧光值显示出不同SNP浓度组(5L,8L,10L)和对照组的细胞数量相似，加入PEO后(5L3P,8L3P,10L3P)，细胞的数量均减少(图3b)。通过F-肌动蛋白荧光标记进行3T3细胞的单细胞分析(纵横比和形态)。荧光照片显示接种在PTFE对照和仅有SNP(5L,8L,10L)的STHB，细胞具有正常的细胞粘附和伪足扩展。相比之下，当细胞接种在含有3wt%PEO(5L3P,8L3P,10L3P)的STHB上时，细胞形态是球形的，因为细胞无法附着在水凝胶表面(图3c)。量化单个3T3细胞的纵横比以了解细胞粘附和扩增。对照组和仅含SNP组中的细胞呈现出一组不同的纵横比，因为单个附着的细胞通常由于独特的伪足扩张而形状不同(图3d)。
图3.STHB的体外防止细胞粘连评估。(a)测试接种在STHB表面的3T3成纤维细胞的粘附和形态特征的示意图；(b)通过使用相对荧光单位来评估3T3细胞的细胞活力；(c)不同方式处理后3T3细胞的细胞形态特征的代表性荧光照片；(d)量化(c)中3T3细胞的细胞面积和纵横比来分析细胞形态。
IVSTHB体内预防术后粘连的形成为了研究STHB在体内预防术后粘连的形成，使用了八个缺血腹膜的腹膜损伤大鼠模型(图4a)。腹膜粘连指数(PAI)用作评分系统，根据血管化、厚度、强度和损伤等几种形态特征对粘连进行分级(图4b)。测试分成五组，分别为：1)control组；2)商品化Seprafilm组；3)5L3P组；4)8L3P组；5)10L3P组。可以观察到手术产生的腹膜缺血(图4c)。在给药过程中，STHBs形成了坚固的涂层，能够正确粘附并保留在组织中。14天后处死动物，分析组织。在control组中，发现粘连附着在缺血部位及其周围。Seprafilm、5L3P和8L3P组具有较低的粘连等级，而10L3P组没有出现任何可观察到的粘连(图4d)。随后，对各组的8个缺血部位的粘连形成进行评分(图4e)，对8个缺血部位的粘连形成百分比(每个部位占比12.5%)进行评估(图4f)，最后计算4个实验组中减少的粘连形成百分比与control组的粘连形成百分比进行比较(图4g)。表明具有较高机械强度的STHB呈现较少的粘连形成，其中强度最高的STHB(10L3P)提供了有效的屏障来抑制细胞浸润和纤维化粘连的形成。
图4.STHB的体内预防术后粘连评估。(a)大鼠腹膜粘连模型构建的示意图；(b)腹膜粘连指数(PAI)用于对术后粘连形成进行分级；(c)各组在腹膜缺血部位上递送，黑色箭头表示缺血部位和药物递送部位；(d)14天后，重新打开切口观察粘连形成，黑色箭头表示术后粘连；(e)使用PAI评分系统来计算平均粘连评分；(f)每只大鼠8个缺血部位的粘连形成(%)；(g)4个实验组减少的粘连(%)与control组形成的粘连(%)的比较。各实验组的老鼠只数n=5。
作者简介
AliKhademhosseini
本文通讯作者
前哈佛大学/麻省理工学院/加州大学洛杉矶分校教授
Terasaki研究所CEO▍主要研究领域利用微米级和纳米级技术为器官衰竭、心血管疾病和癌症提供一系列疗法。
▍主要研究成果
美国医学与生物工程学会(AIMBE)、生物医学工程学会(BMES)、英国皇家化学学会(RSC)、生物材料科学与工程(FBSE)、材料研究学会(MRS)、NANOSMAT学会和美国科学促进会(AAAS)的会士，国际医学和生物工程学院、加拿大皇家学会和加拿大工程院的成员。担任ACSNano副主编，Small、RSCAdvances、AdvancedHealthcareMaterials、BiomaterialsScience等期刊编委。▍Email:khademh
terasaki.org撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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