合理生存您的位置: 首页 > 合理生存 >

手术后不用缝针拆线 可降解医用胶水20秒止住“心头血”

发布时间:2019-08-06 14:16:12   来源:    浏览次数:306

◎何颉

胶水本是司空见惯的生活用品,但如今科学界竟然开发出医用胶水,可以取代创可贴等方式,用于皮肤浅层撕裂伤,直接粘合伤口,起到止血、抑菌、减小疤痕等作用。更令人惊喜的是,据英国《自然·通讯》近期报道,中国浙江大学和华东理工大学专家团队开发出一种“升级版”医用胶水,无需缝合及拆线,能直接“粘好”心脏等主要脏器上的伤口,20秒内解决手术中和手术后的内脏出血问题。术后,胶水会随着伤口的愈合自然降解。如此神奇,你信吗?

1565072948765093.jpg市面上的一些医用胶水适用于皮肤类浅层撕裂伤

首款现代胶水出自柯达公司

提起胶水,很多人的第一反应是“502强力胶”。强力胶中的关键成分是氰基丙烯酸酯(Cyanoacrylate),只要接触到外界的一点水分就会发生聚合反应,形成结实的聚合物,把物体迅速粘结在一起。这种物质的应用源于半个多世纪前的两次偶然。

第二次世界大战期间,美国研究人员哈利·库夫(Harry Coover)想开发一种适合做枪用瞄准镜的透明塑料,“氰基丙烯酸酯”就是候选原料之一。但这东西碰啥就粘啥,无法做出想要的东西,库夫就放弃了。到了20世纪50年代,他又参与了另外一个研究项目,在田纳西州伊士曼柯达公司(Eastman Kodak)(简称柯达公司)的实验室,测试适合喷气式飞机驾驶舱耐温涂层的化合物。他的一个学生合成了氰基丙烯酸乙酯,结果,用来测量样品折射率的两个棱镜被这种物质牢牢地粘在了一起。这一次库夫终于意识到:这玩意儿不用来粘东西真是可惜了。7年后,名为“Eastman 910”的“超级胶水”上市。这就是现在常用的胶水的前身。

1565073256489919.jpg

超级胶水的发明者、美国研究人员哈利·库夫

胶水救活了一众伤兵

不过,库夫最骄傲的成就之一,是他的胶水发明在越南战争中被用来治疗受伤的士兵:医务人员带着喷雾形式的超级胶水给伤兵止血。库夫曾告诉田纳西州《金斯波特时报》(Kingsport Times-News):“如果有人胸部受伤或出现开放性伤口出血,他们遇到的最大问题是止血,许多人都因为止血不及时而死于失血过多。医务人员使用喷雾型胶水,止住了出血,给伤员抢出了送回基地医院救治的时间,许多人的生命因此得救。”需要注意的是,医用胶水中用的成分是经过改良的长链氰基丙烯酸酯,和普通胶水不一样,小伙伴们可千万别拿日常生活中的502胶水止血疗伤哦。

虽然胶水在紧急情况下能救命,但早期的超强胶水化合物会引起皮肤刺激和其他副作用。后来,人们开发出对人体皮肤更温和的医用胶产品,如医用胶多抹棒等。

水分是胶水的大克星

但说出大天去,当前医用胶水依然存在弹性不佳、怕湿(用在持续湿润的表面会失去粘性)、不够安全等不足,主要用途只局限于应付简单的皮肤浅层撕裂伤。对于主动脉破裂和心脏创口这种大任务,往往还是得通过手术缝合,比如传统缝扎、电切电凝、超声刀等止血吻合方式。这些方法尽管有效,但也不可避免地给身体造成二次损伤(物理损伤、电损伤、热损伤等)。为此,科学家一直在寻找既不怕湿又对人体足够安全的“手术用胶水”,希望能无创“粘合”伤口,让缝针、拆线成为过去式。

1565073745721963.jpg

科学家一直在寻找能克服液体影响并保证对人体足够安全的“手术用胶水”,希望能无创“粘合”人体内的伤口。

胶水材料要想快速封闭心脏和动脉的伤口、止血,需要同时满足4个条件来应对人体内严酷的环境:快速成胶,防止被血流冲走;对高度湿润的机体组织有较强的粘附力,以有效密封伤口;合适的力学性能,用于承受强大的血压冲击(比如心脏这种每分钟多达60~80次“血液飓风”环境)以及周边组织的挤压和摩擦;有较好的生物相容性,能适时(过早过晚降解都不行)在体内生物降解,对机体无毒。

不怕潮的手术止血胶

今年5月14日,英国《自然-通讯》杂志报道了一项可喜成果——我国浙江大学医学院欧阳宏伟教授团队和华东理工大学朱麟勇教授合作,研发了一种“强力止血水凝胶”。这是一种光敏(对光敏感)医用胶水,经过紫外线照射“激活”后,在20秒内与潮湿的生物组织表面牢固结合,将伤口密封,可用于快速修复动脉和心脏出血。它安全可降解,无不良反应,医疗效果已经在猪身上得到了证实,将来有望应用到临床上。

研究人员指出,人体内的环境是湿的,尤其是血管破裂处,流动的血液会冲击伤口,普通的“医用胶水”还没粘上伤口可能就被冲走,其设计的水凝胶就克服了这一挑战。在研究人员看来,人的皮肤、肌腱、软骨等可视为不同成分和配比的水凝胶。欧阳宏伟等人的胶水研发灵感就来自于组成生物结缔组织的成分——细胞外基质,由胶原蛋白(10~15%)、糖胺聚糖(3~6%)和水(70~80%)组成。结缔组织拥有出色的力学特性,质地坚韧。他们模仿结缔组织的成分和比例来配比出胶水,所选择的GelMA(甲基丙烯酸酯明胶)与HA-NB(糖胺聚糖透明质酸,对光敏感)的比例,与人类结缔组织中胶原蛋白与糖胺聚糖的比例类似。

这么做一方面提高了胶水与生物组织的相容性,另一方面使水凝胶获得较强的韧性,能承受住高的血压而不被冲破,并适应心脏持续跳动不发生拉扯和断裂。

1565073807525223.jpg

胶水材料要想快速封闭心脏和动脉的伤口、止血,需要同时满足 4 个条件来应对人体内严酷的环境。

形成的水凝胶是多孔的,孔径呈纳米级。这种致密的多孔材料可以吸收伤口渗出物,并在很大程度上阻止红细胞和血小板逃逸,同时保持适当的湿润环境以促进伤口有效愈合。

胶水可在体内降解

研究人员在动物实验(猪模型)中对这种新型仿生胶水进行了测试。从手术操作视频可见,猪的心室被6毫米内径的针刺穿,导致剧烈出血。研究人员朝创口快速注射水凝胶,并照射紫外线。随后,创口在10秒内就完全停止了出血,整个止血过程耗时不到30秒。通过类似操作,研究人员又在20秒内封闭了猪颈动脉上直径4~5毫米的切口,无需再缝合。研究人员指出,正常人的血压范围在60~140毫米汞柱,而这种水凝胶可以承受高达290毫米汞柱的血压。

实验显示,水凝胶在使用7天后植入物残留比例为77%~88%,14天后降至52.9%~66.3%,28天后残留18.8%~32.2%,56天后仅剩15%~25%。这表明水凝胶逐渐生物降解,具有良好的生物相容性。

合格的医用胶水不应损害伤口的愈合能力,不得有毒或引起剧烈炎症反应。病理学染色显示,应用浙江大学和华东理工大学开发的水凝胶后,只出现了短暂的炎症反应。而在对比实验中,纤维蛋白胶处理组中观察到更严重的术后炎症,氰基丙烯酸酯处理组甚至观察到一些细胞坏死。这表明,浙江大学和华东理工大学的水凝胶具有更小的细胞毒性。

所有经水凝胶处理的猪在手术中存活下来,再饲养2周后,水凝胶仍粘附在创口部位,且在血管中未观察到血栓,伤口通过新生血管组织连接,表明开始愈合。该实验生动地证明了这种水凝胶具有手术所需的快速止血能力,并且可在术后愈合过程中保护主要伤口。

研究人员表示,这些研究只是安全测试的初级步骤。他们正在深入评估水凝胶对于临床应用的安全性。

蜗牛让法国科学家找到灵感

除了我国研究人员的成果,其他国家也在进行相似研究。法国巴黎生物制药公司Gecko的研究主管玛利亚·佩雷拉数年前就在该领域辛勤耕耘。

佩雷拉的老师、生物医学工程学家卡普一直在为先天性心脏缺损患者寻找更好的缝合办法。在美国,1%的新生儿有先天性心脏缺陷。随着孩子长大,要进行多次手术,替换不可降解的植入物,而多次缝合对孩子的心脏都是伤害。于是他设立了个医用胶水课题,希望改变缝合方式,由佩雷拉主要负责。

佩雷拉在卡普的指导下从自然界中寻求解决方案。她发现下雨时蜗牛依然不会从叶子上滑下来,而它们留下的痕迹不会被雨水冲刷掉。她想弄清楚那些分泌物是什么,可否通过仿生学应用到医用胶水上。经过多次试验,佩雷拉于2012年研发出了“HLAA疏水性光活化粘合剂”,可粘合器官,能生物降解且不溶于血液和水。她还开发了一种LED光笔,其光线可诱导胶水产生粘合作用。

1565073908577445.jpg

巴黎生物制药公司Gecko的研究主管研发出“HLAA疏水性光活化粘合剂”,可粘合器官,能生物降解。

佩雷拉在美国波士顿儿童医院进行活体动物演示:在活的大鼠心脏上开一个洞,然后把医用胶水涂在孔洞处,用LED光笔诱导胶水粘合,成功将活体大鼠心脏的孔洞完全补好了。6个月后再次检查这只大鼠,一切生长良好,其心脏创口的胶水随着孔洞的不断愈合而降解。2016年,佩雷拉还在36名接受血管重建手术(患者的血管被切开进行清理或扩展以便血液更好地流动)的患者身上测试这种胶水。结果显示,这种胶水的止血速度很快,患者在术后3个月并无不良反应。

MeTro胶:拉不断 扯不烂

1565073947802021.jpg

MeTro适用于持续跳动、表面变化较大的心肺等脏器的伤口愈合。

2017年,澳洲悉尼大学、美国东北大学和哈佛医学院合作研究,推出了相似的医用胶水“MeTro”。它是一种双层水凝胶,是基于弹性蛋白(存在于动脉、皮肤、肺部等弹性组织中)的一种密封剂。据称,这种胶不仅适用于外部皮肤破损,还适用于持续跳动、表面变化较大的心肺等脏器的伤口。

1565074001139670.jpg

双层水凝胶“MeTro”,适用于持续跳动、表面变化较大的心肺等脏器的伤口愈合。

该研究论文的第一作者、加拿大麦吉尔大学的李建宇(音译)博士,在思考如何提高医用胶水的性能时,从一个不太可能的地方找到灵感:欧美广泛分布的蛞蝓属动物(一种小毛虫),受到威胁时会分泌一种特殊的粘液,将其粘在原位,让捕食者很难从固定住的表面把它撕下来。科学家们之前已确定这种粘液由一种坚韧的、布满正电荷蛋白的基质组成。这启发了李建宇及其同事创造出MeTro,由藻酸盐-聚丙烯酰胺基质组成粘合剂层,粘合剂层表面有带正电荷的聚合物。把MeTro涂在内脏伤口上,带正电荷的聚合物通过对带负电荷的细胞表面产生静电吸引作用和物理渗透等作用,粘附在生物组织上。

1565074050414743.jpg

欧美广泛分布的蛞蝓属动物,受到威胁时会分泌一种特殊的粘液,将其粘在原位,让捕食者很难把它撕下来。

MeTro含有光敏分子,将它涂抹在伤口上,再辅以紫外线照射,短时间内,胶水就会固化成凝胶,把伤口粘住。根据当时的研究进度,只要紫外线光强度足够,粘合伤口只需60秒。研究者表示,这款胶水能直接涂在受损的内脏上,不会对器官造成损害,也不会产生排异反应。即使在复杂、不规则的器官表面,MeTro的粘合效果依旧不打折。在实验测试中,破坏MeTro的粘合性所需要的能量,是其他医用胶水的3倍多。

1565074092215238.jpg

将MeTro 涂抹在伤口上,再辅以紫外线照射,短时间内,胶水就会固化成凝胶,把伤口粘住。

研究人员在各种干湿猪组织(包括皮肤、软骨、心脏、动脉和活体)上测试了MeTro。经机械膨胀和收缩,然后进行数万次循环拉伸,MeTro仍保持其稳定性和粘合性。此外,当用于治疗小鼠肝脏出血时,它不会对肝脏周围组织造成损伤或粘连。

1565074137305464.jpg

当人体心脏出现伤口时,往往得通过手术缝合来止血,但不可避免地会带对身体造成二次损伤。

研究人员表示:“我们用可生物降解的材料制造MeTro,它们达到目的后就会分解,甚至可以将这项技术与软体机器人技术或药物输送技术相结合。”

有了这些新型医用胶水,我们可以预见,在未来的医院里,开刀后不用缝针,用医用胶水往创口上一抹,经紫外线一照,就能快速止血、闭合伤口,同时胶水随伤口不断愈合而自然降解,那是一幅多么令手术患者欣慰的情景啊。

1565074249225129.jpg

有了新型医用胶水,在未来的医院里,用医用胶水往创口上一抹,经紫外线光一照,就能止血、闭合伤口。


本刊原创,转载请联系《环境与生活》杂志。

本栏目责编/崔悦 cuiyue284983@qq.com

网编/王猛 1160503130@cnu.edu.cn