医用生物粘合剂广泛应用于皮肤科、外科等医疗领域，其使用简便，疼痛弱，无需移除，甚至可以起到美容的效果。但是目前市场存在的生物粘合剂仍然存在很多缺点，例如，氰基丙烯酸酯类粘合剂对组织的粘附非常强，但会伴随着严重的炎症反应。另一方面，安全系数更高的交联聚乙二醇和纤维蛋白原水凝胶类粘合剂附着力却相对较差，这些不足限制了它们在临床方面的应用。理想的生物粘接剂应是具有持久粘附强度、生物降解性、弹性和生物相容性的反应性液体，并且在给药之后能迅速固化定型。

近日，美国哈佛大学医学院的Daniel S. Kohane教授团队和以色列理工学院的Boaz Mizrahi教授合作提出来热熔胶枪的医疗用法。他们将圆柱形的生物胶聚合物棒插入到一个商用热熔设备中。直接用手指按压热熔胶枪扳机，将生物粘接剂融化，从加热喷嘴直接挤出到创面上，有效地涂覆在创面边缘，如图1所示。将相关研究成果以“Hot Glue Gun Releasing Biocompatible Tissue Adhesive”为题发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials上。

图1-热熔胶枪挤出生物粘合剂应用示意图

研究团队的生物粘接剂是一种由N-羟基丁二酰亚胺(NHS)封端改性的四臂聚己内酯(star-PCL)。他们设想通过聚合物的固化，使聚合物分子与周围生物组织形成共价键作用，从而产生所需的粘结强度来实现这一粘合功能。为避免对周围组织和生物分子的损伤，生物粘接剂的熔点应尽可能不超过人体温度37℃。在不影响生物相容性和生物降解性的前提下，他们开发了一种简单的合成方案(图2)来制备具有精确熔点的生物材料，并制备了一系列熔点随聚合物的长度而变化的star-PCL-NHS聚合物。

图2-生物粘合剂合成路线图

研究成果展示

他们合成了四个不同分子量聚合物，平均分子量为6kDa、9kDa、13kDa、20kDa。差示扫描量热法(DSC)测得的熔融温度随着分子量的增加而升高，这是因为聚合物的半结晶性不同，分子链越长，形成的结晶网络越高，熔点越高，所以6 kDa star-PCL的熔点为39℃，20 kDa聚合物的熔点为49℃。研究人员还用流变学方法研究了熔融状态下聚合物的粘度在60℃时，聚合物粘度在10- 1和103/ s剪切速率下保持稳定。温度从60℃降低到37°C时，9 kDa star-PCL聚合物的储能模量(G′)略有降低，但13kDa和20kDa聚合物的G′增加10倍和106倍。由于固化粘合需要一定的强度，因此他们选了13kDa和20kDa用于后续的实验。通过流变学分析评价了star-PCL-NHS (13 kDa和20 kDa)在60℃下的凝固速率，他们发现13kDa和20 kDa聚合物的凝固时间分别为150s和40s，如图3所示。

图3- A) star-PCL聚合物熔融温度分布，DSC测量。B)不同分子量star-PCL聚合物在60℃剪切速率相关粘度。C)相同聚合物在60℃或37℃下的储存模量(G’)的变化。数据为均值，标准差为n = 4， * = p < 0.05。

为了评价和比较star- PCL – NHSs的粘接性能，他们研究了不含NHS端基的2-辛基氰基丙烯酸酯(Dermabond)、纤维蛋白密封胶(Evicel)和star-PCL的粘接强度。对于star-PCL-NHS胶，增加分子量并没有显著改变最大应用载荷。13和20 kDa聚合物的平均最大载荷分别为1.6和1.1 N。氰基丙烯酸酯胶的粘接强度是13 kDa star-PCL-NHS胶的两倍，而纤维蛋白密封胶的粘接强度是前者的四倍。在没有NHS的情况下，star-PCL的最大粘附力非常低(>0.4 N)，说明NHS基团的存在对粘附强度至关重要。受测粘接剂的弹性受聚合物分子量的影响并不显著，13KDa和20 KDa聚合物的弹性模量分别为72 kPa和43 kPa。氰基丙烯酸酯胶的弹性模量(约为140 kPa)明显高于其他各组，纤维蛋白凝胶的弹性模量最低(约为40 kPa)。这些结果表明，star-PCL-NHS胶具有一定的粘合力，明显强于纤维蛋白等生物粘合力体系，其粘合力高达氰基丙烯酸酯粘合力的50%，具有适中的粘合力，不易与基体组织脱离。同时， 13 kDa 的star-PCL-NHS熔点温度约为45℃（在体温以上），冷却到体温后会凝固，同时具有弹性和黏附性能，符合医用需求，结果如图4所示。

图4- A)拉伸试验前两个握把之间的皮肤样本的照片。箭头表示粘附面积。B)断裂时的最大载荷. C)具有代表性的应变——应力曲线.D)弹性模量。数据均为均值,SD = 4 * p < 0.05, * * p < 0.001

如图4所示，研究人员还对13 kDa star-PCL-NHS的细胞毒性进行了体外实验，他们通过在含有聚合物的24孔板中植入成纤维细胞，并与未暴露的细胞相比，未与胶水接触的细胞存活率超过90%，表明毒性作用较小。为了评估该聚合物的活体生物相容性，在雄性大鼠的侧腹区开了两个切口。左边的袋子里装满了从胶枪里挤出来的Dermabond或13kDa的star-PCL-NHS胶水，而右边的切口则是空的。然后缝合两个切口。研究人员分别在4天以及14天后采集皮肤标本，用于组织学评价。对照组、氰基丙烯酸酯组和star-PCL-NHS组在第4天的炎症程度或瘢痕无明显差异，但在第14天，只有氰基丙烯酸酯胶引起的炎症明显大于对照组(p < 0.03)，结果如图5所示。

图4-黏附材料的细胞毒性。A)暴露于13 KDa star-PCL-NHS和商业辛基氰基丙烯酸酯(Dermabond) 24小时后，NIH 3T3细胞存活率(相对于未暴露的细胞)通过MTS法进行评估。B,C) B) star-PCL-NHS或C) Dermabond培养24小时后细胞反应的代表性明场显微图像。数据为均值，SD = 4， * p < 0.05。

图5-体内生物相容性的组织学评估。A)代表苏木精-伊红染色作用下显示了在皮下骨骼肌炎症(黑色箭头)，主要由淋巴细胞和巨噬细胞(比例尺:100m)组成。插图显示淋巴细胞(蓝色箭头)和巨噬细胞(红色箭头)(比例尺:50m)。B)代表三重染色作用下部分切口瘢痕(黑色箭头)，在切口点上从表皮扩展到皮下脂肪(比例尺:200m)。C,D) 4 D和14 D后炎症和瘢痕结果形成的评估。数据为平均值，SD = 4， * p < 0.05。

综上，他们开发了一种基于短star-PCL-NHS聚合物在低温下熔融并在生理条件下快速固化的粘剂，并且可以使用常见的热胶枪对伤口进行涂敷这种生物材料，简单易行，毒性小，疼痛弱。同时，他们也证明了这种生物材料的性能取决于它的分子量，因此在合成过程中可以根据应用的具体用途进行调整。未来的工作需要优化热胶枪的参数和组织反应。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201900998

来源：高分子科学前沿 作者：FX

医用生物粘合剂广泛应用于皮肤科、外科等医疗领域，其使用简便，疼痛弱，无需移除，甚至可以起到美容的效果。但是目前市场存在的生物粘合剂仍然存在很多缺点，例如，氰基丙烯酸酯类粘合剂对组织的粘附非常强，但会伴随着严重的炎症反应。另一方面，安全系数更高的交联聚乙二醇和纤维蛋白原水凝胶类粘合剂附着力却相对较差，这些不足限制了它们在临床方面的应用。理想的生物粘接剂应是具有持久粘附强度、生物降解性、弹性和生物相容性的反应性液体，并且在给药之后能迅速固化定型。

近日，美国哈佛大学医学院的Daniel S. Kohane教授团队和以色列理工学院的Boaz Mizrahi教授合作提出来热熔胶枪的医疗用法。他们将圆柱形的生物胶聚合物棒插入到一个商用热熔设备中。直接用手指按压热熔胶枪扳机，将生物粘接剂融化，从加热喷嘴直接挤出到创面上，有效地涂覆在创面边缘，如图1所示。将相关研究成果以“Hot Glue Gun Releasing Biocompatible Tissue Adhesive”为题发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials上。

图1-热熔胶枪挤出生物粘合剂应用示意图

研究团队的生物粘接剂是一种由N-羟基丁二酰亚胺(NHS)封端改性的四臂聚己内酯(star-PCL)。他们设想通过聚合物的固化，使聚合物分子与周围生物组织形成共价键作用，从而产生所需的粘结强度来实现这一粘合功能。为避免对周围组织和生物分子的损伤，生物粘接剂的熔点应尽可能不超过人体温度37℃。在不影响生物相容性和生物降解性的前提下，他们开发了一种简单的合成方案(图2)来制备具有精确熔点的生物材料，并制备了一系列熔点随聚合物的长度而变化的star-PCL-NHS聚合物。

图2-生物粘合剂合成路线图

研究成果展示

他们合成了四个不同分子量聚合物，平均分子量为6kDa、9kDa、13kDa、20kDa。差示扫描量热法(DSC)测得的熔融温度随着分子量的增加而升高，这是因为聚合物的半结晶性不同，分子链越长，形成的结晶网络越高，熔点越高，所以6 kDa star-PCL的熔点为39℃，20 kDa聚合物的熔点为49℃。研究人员还用流变学方法研究了熔融状态下聚合物的粘度在60℃时，聚合物粘度在10- 1和103/ s剪切速率下保持稳定。温度从60℃降低到37°C时，9 kDa star-PCL聚合物的储能模量(G′)略有降低，但13kDa和20kDa聚合物的G′增加10倍和106倍。由于固化粘合需要一定的强度，因此他们选了13kDa和20kDa用于后续的实验。通过流变学分析评价了star-PCL-NHS (13 kDa和20 kDa)在60℃下的凝固速率，他们发现13kDa和20 kDa聚合物的凝固时间分别为150s和40s，如图3所示。

图3- A) star-PCL聚合物熔融温度分布，DSC测量。B)不同分子量star-PCL聚合物在60℃剪切速率相关粘度。C)相同聚合物在60℃或37℃下的储存模量(G’)的变化。数据为均值，标准差为n = 4， * = p < 0.05。

为了评价和比较star- PCL – NHSs的粘接性能，他们研究了不含NHS端基的2-辛基氰基丙烯酸酯(Dermabond)、纤维蛋白密封胶(Evicel)和star-PCL的粘接强度。对于star-PCL-NHS胶，增加分子量并没有显著改变最大应用载荷。13和20 kDa聚合物的平均最大载荷分别为1.6和1.1 N。氰基丙烯酸酯胶的粘接强度是13 kDa star-PCL-NHS胶的两倍，而纤维蛋白密封胶的粘接强度是前者的四倍。在没有NHS的情况下，star-PCL的最大粘附力非常低(>0.4 N)，说明NHS基团的存在对粘附强度至关重要。受测粘接剂的弹性受聚合物分子量的影响并不显著，13KDa和20 KDa聚合物的弹性模量分别为72 kPa和43 kPa。氰基丙烯酸酯胶的弹性模量(约为140 kPa)明显高于其他各组，纤维蛋白凝胶的弹性模量最低(约为40 kPa)。这些结果表明，star-PCL-NHS胶具有一定的粘合力，明显强于纤维蛋白等生物粘合力体系，其粘合力高达氰基丙烯酸酯粘合力的50%，具有适中的粘合力，不易与基体组织脱离。同时， 13 kDa 的star-PCL-NHS熔点温度约为45℃（在体温以上），冷却到体温后会凝固，同时具有弹性和黏附性能，符合医用需求，结果如图4所示。

图4- A)拉伸试验前两个握把之间的皮肤样本的照片。箭头表示粘附面积。B)断裂时的最大载荷. C)具有代表性的应变——应力曲线.D)弹性模量。数据均为均值,SD = 4 * p < 0.05, * * p < 0.001

如图4所示，研究人员还对13 kDa star-PCL-NHS的细胞毒性进行了体外实验，他们通过在含有聚合物的24孔板中植入成纤维细胞，并与未暴露的细胞相比，未与胶水接触的细胞存活率超过90%，表明毒性作用较小。为了评估该聚合物的活体生物相容性，在雄性大鼠的侧腹区开了两个切口。左边的袋子里装满了从胶枪里挤出来的Dermabond或13kDa的star-PCL-NHS胶水，而右边的切口则是空的。然后缝合两个切口。研究人员分别在4天以及14天后采集皮肤标本，用于组织学评价。对照组、氰基丙烯酸酯组和star-PCL-NHS组在第4天的炎症程度或瘢痕无明显差异，但在第14天，只有氰基丙烯酸酯胶引起的炎症明显大于对照组(p < 0.03)，结果如图5所示。

图4-黏附材料的细胞毒性。A)暴露于13 KDa star-PCL-NHS和商业辛基氰基丙烯酸酯(Dermabond) 24小时后，NIH 3T3细胞存活率(相对于未暴露的细胞)通过MTS法进行评估。B,C) B) star-PCL-NHS或C) Dermabond培养24小时后细胞反应的代表性明场显微图像。数据为均值，SD = 4， * p < 0.05。

图5-体内生物相容性的组织学评估。A)代表苏木精-伊红染色作用下显示了在皮下骨骼肌炎症(黑色箭头)，主要由淋巴细胞和巨噬细胞(比例尺:100m)组成。插图显示淋巴细胞(蓝色箭头)和巨噬细胞(红色箭头)(比例尺:50m)。B)代表三重染色作用下部分切口瘢痕(黑色箭头)，在切口点上从表皮扩展到皮下脂肪(比例尺:200m)。C,D) 4 D和14 D后炎症和瘢痕结果形成的评估。数据为平均值，SD = 4， * p < 0.05。

综上，他们开发了一种基于短star-PCL-NHS聚合物在低温下熔融并在生理条件下快速固化的粘剂，并且可以使用常见的热胶枪对伤口进行涂敷这种生物材料，简单易行，毒性小，疼痛弱。同时，他们也证明了这种生物材料的性能取决于它的分子量，因此在合成过程中可以根据应用的具体用途进行调整。未来的工作需要优化热胶枪的参数和组织反应。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201900998

来源：高分子科学前沿 作者：FX