解放军总医院《自然·通讯》：新型耐酸可注射生物粘合剂实现大范围胃穿孔无缝线修复

胃穿孔是一种危及生命的外科急症，可引发腹膜炎、败血症甚至多器官功能衰竭，死亡率超过30%。目前临床主要采用腹腔镜或开腹手术进行缝合或吻合器修复，但这些操作不仅耗时且需要精细操作，在紧急情况下尤为困难。更为关键的是，传统缝合方式存在固有缺陷，如造成额外组织损伤、点状闭合、愈合延迟、吻合口缺陷、术后粘连以及长期炎症反应等问题。因此，开发一种既能提供有效机械密封又能促进伤口愈合的新型修复策略，一直是临床上面临的重大挑战。

针对这一难题，中国人民解放军总医院卫勃主任医师、崔建新副主任医师和中国科学院化学研究所王星副研究员合作开发了一种基于FDA批准成分的可注射耐酸水凝胶生物粘合剂（OSSA），用于大范围胃穿孔的无缝线修复。该水凝胶由八臂聚乙二醇琥珀酰亚胺琥珀酰胺（Octa-PEG-SSA）和八臂聚乙二醇胺（Octa-PEG-NH₂）构成，能够在5秒内快速原位凝胶化，具备即时湿态粘附、高爆破压力耐受性，并在酸性胃液、消化酶及胃部持续蠕动等复杂体内环境中保持长期稳定的密封效果。相关论文以“Acid-tolerant injectable bioadhesive for sutureless repair of large gastric perforation”为题，发表在Nature Communications上。

图1 用于大范围胃穿孔无缝线修复的可注射OSSA水凝胶生物粘合剂的制备示意图。

研究团队首先对该水凝胶的物理化学性能进行了全面表征。在浓度为15 wt%时，OSSA水凝胶展现出优异的注射性和快速凝胶化能力。流变学测试显示，凝胶在18秒内储存模量急剧升高，表明快速形成稳定网络结构。该水凝胶具备高压缩强度（1.1 MPa）和优异的抗疲劳性能，在30%、50%和70%应变下的循环压缩测试以及40%、80%和120%应变下的循环拉伸测试中均表现稳定，足以耐受胃部进食前后的体积变化。扫描电镜图像清晰呈现了水凝胶内部规整的网络结构，有利于营养物质交换和细胞支持。

图2 可注射OSSA水凝胶对湿态胃组织进行无缝线修复的设计与机制。 a) 缝线修复胃缺损的示意图。 b) OSSA水凝胶无缝线修复胃缺损的示意图。 c) 基于八臂聚乙二醇琥珀酰亚胺琥珀酰胺（Octa-PEG-SSA）和八臂聚乙二醇胺（Octa-PEG-NH₂）聚合物的OSSA水凝胶化学组成，以及通过界面酰胺键共价交联实现胃组织表面快速湿态粘附的示意图。 d) 基于干燥交联过程和良好匹配的降解行为，OSSA水凝胶实现胃缺损即时粘附和持久封闭的机制示意图。 e) 非接触表面抗粘附处理机制示意图。

在粘附性能评估中，OSSA水凝胶能够牢固粘附于湿态猪皮组织，即使经历拉伸、弯曲和扭转等变形也不脱落，甚至高压水流冲洗也无法将其冲走，这一特性对于需要术中反复冲洗的临床场景尤为重要。定量测试显示，OSSA水凝胶的剪切粘附强度达到34.0 ± 2.3 kPa，界面韧性超过118.2 ± 2 J/m²，显著优于市售的Coseal（10.3 kPa, 23.1 J/m²）、纤维蛋白胶（10.4 kPa, 24.8 J/m²）和氰基丙烯酸酯胶（Histoacryl，23.6 kPa, 39.7 J/m²）。扫描电镜观察进一步证实，水凝胶与组织界面形成了致密而连续的粘合层，其自由柔性PEG链能够穿透组织并与胶原纤维形成物理缠结，协同增强界面粘附。

图3 OSSA水凝胶的物理化学、机械和粘附性能。 a, b) OSSA水凝胶具有规整结构和良好注射性的宏观外观。 c) 混合后Octa-PEG-SSA（8%）和Octa-PEG-NH₂（8%）溶液的储能模量G'、损耗模量G"和粘度η随时间变化曲线。振荡频率：1 rad/s。 d) OSSA水凝胶的扫描电镜图像（所有实验独立重复至少3次，结果相似，标尺：10 μm）。 e, f) OSSA水凝胶在10%、20%和30%应变下的压缩应力和重复压缩性能。 g) OSSA水凝胶在70%应变下的循环应力-应变压缩曲线。 h) OSSA水凝胶在120%应变下的循环应力-应变拉伸曲线。 i) OSSA水凝胶的流变学分析。 j, k) OSSA水凝胶在不同变形条件下粘附于猪皮的照片及耐水性能测试。 l) OSSA水凝胶及市售组织粘合剂在猪皮上的粘附强度。 m) OSSA水凝胶及市售组织粘合剂在猪皮上的界面韧性。数据以均值±标准误（n=5个独立样本）表示。P值通过单因素方差分析结合最小显著差异事后检验确定（l和m）。 n) OSSA水凝胶与猪胃组织之间粘附界面的扫描电镜图像（所有实验独立重复至少3次，结果相似）。左图为主视图（标尺：20 μm），右图为俯视图（标尺：100 μm）。

对于胃穿孔修复而言，在酸性胃液中的长期稳定性至关重要。研究团队发现，基于酰胺键的OSSA水凝胶在人体胃液中浸泡14天后，质量、尺寸和透明度均无明显变化，组织粘附性保持良好。相比之下，传统酯键连接的水凝胶在模拟胃液（pH 1.5含胃蛋白酶）中两天内即完全降解。红外光谱分析显示，OSSA水凝胶在1678 cm⁻¹处形成典型新峰，N-H伸缩振动峰形变宽并出现明显红移，证实了分子间氢键相互作用的形成。量子理论原子分子（QTAIM）计算进一步揭示，酰胺键网络中的N-H…O氢键平均电子密度为0.025814 a.u.，对应氢键能量达-21.95 kJ/mol，比酯键网络中最强相互作用强约43%。这种密集而强大的氢键网络协同共价交联，极大限制了聚合物链运动，形成了抵御水分子和水合氢离子渗透的有效屏障，从而解释了OSSA水凝胶在酸性环境中极低的溶胀率（仅33.7%）和优异的稳定性。

在离体实验中，OSSA水凝胶成功封堵了猪结肠上直径为4 mm的穿孔，爆破压力达约19 kPa（142 mmHg），远超人体胃肠道正常压力（0.5~4.0 kPa）。更令人瞩目的是，该水凝胶能够密封长达6 cm的猪胃切口，注入超过5 kg水后仍无任何渗漏。在pH 2.0的酸性介质中浸泡72小时以上，OSSA水凝胶依然保持完全密封状态，而Coseal对照在8小时即发生破裂泄漏。

图4 胃穿孔离体密封效果演示，展示低溶胀率和缓慢降解特性。 a) OSSA水凝胶对受损猪结肠组织（直径4 mm）的爆破压力。 b) OSSA水凝胶在猪结肠组织上应用及破坏后的体外密封效果照片。 c) 使用OSSA水凝胶体外密封猪胃（直径10 mm）的照片。 d) 使用OSSA水凝胶和市售Coseal粘合剂离体密封猪胃缺损（直径6 cm）的照片，猪胃内充满pH 2.0的红色染料染色介质后浸入PBS中，以展示耐酸粘附和密封稳定性。 e) OSSA水凝胶在PBS溶液、猪胃液和人胃液中的溶胀率。 f) OSS和OSSA水凝胶的红外光谱。 g) OSSA水凝胶在PBS溶液、猪胃液和人胃液中的降解曲线。 h-k) OSSA水凝胶在模拟胃液中浸泡72小时前后在离体猪皮上的压缩强度、剪切强度、界面韧性和爆破压力。数据以均值±标准误（n=5个独立样本）表示。P值通过双尾Student t检验确定（h-k）。

生物相容性和降解性评估显示，OSSA水凝胶在大鼠皮下植入8周后完全降解，降解速率与胃组织愈合时间（>2周）相匹配。组织学染色和免疫荧光分析表明，植入部位无明显炎症反应和纤维化，CD3、CD68、iNOS、I型胶原和III型胶原等标志物表达均处于低水平。体外细胞实验证实，人胃黏膜上皮细胞（GES-1）与OSSA水凝胶共培养后，细胞活力高、凋亡率低，与正常对照组相当，而Coseal组则表现出明显的细胞毒性。血常规、生化指标及炎症因子（IL-6、TNF-α）检测均未发现异常，证实了OSSA水凝胶优异的体内外生物安全性。

图5 OSSA水凝胶的体外和体内生物降解及生物相容性。 a) 第1天、第1周、第2周、第4周和第8周皮下植入OSSA水凝胶的代表性生物发光（上）和形态（下）图像。数据以均值±标准误（n=8个独立样本）表示。 b) 残留OSSA水凝胶的辐射强度。数据以均值±标准误（n=8个独立样本）表示。 c) 残留OSSA水凝胶的剩余重量。数据以均值±标准误（n=8个独立样本）表示。 d) 植入OSSA水凝胶的皮下组织的苏木精-伊红染色和马松染色。标尺：500 μm。*代表残留材料。 e) 组织经CD68、CD3、iNOS、I型胶原和III型胶原标记的免疫荧光代表性图像。标尺：500 μm。每个组织随机选择三个区域进行分析。 f) 对照（DMEM）、Coseal和OSSA水凝胶提取物培养72小时后GES-1细胞的活死染色代表性图像（左）及细胞活力（右）。数据以均值±标准误（n=3个独立样本）表示。同一实验批次进行三次平行测量取平均值。标尺：50 μm。 g) 流式细胞术代表性图像（左）及细胞凋亡率（右）。数据以均值±标准误（n=3个独立样本）表示。同一实验批次进行三次平行测量取平均值。 h-k) 皮下植入OSSA水凝胶后第1天、第1周、第2周、第4周和第8周大鼠的血常规、生化指标、IL-6和TNF-α。数据以均值±标准误（n=8个独立样本）表示。源自一只大鼠的血液样本视为一个独立单位。P值通过单因素方差分析结合最小显著差异事后检验确定（b、c、f、g、h-k）。

在大鼠胃穿孔模型中，OSSA水凝胶可在数秒内完成8 mm穿孔的快速封闭，操作简便，而缝合组即使由熟练外科医生操作也需3分钟以上，且易造成穿刺损伤。术后4周组织学评估显示，缝合组存在明显缝线肉芽肿、瘢痕和炎症，Coseal组因高溶胀导致严重术后粘连，而OSSA组胃组织修复良好，无炎症细胞浸润，组织形态接近正常组织。免疫荧光染色进一步证实OSSA组CD68、CD3、iNOS、I型和III型胶原表达水平均显著低于对照组。

研究团队还创新性地运用转录组学和微生物组学技术评估水凝胶对胃组织稳态的影响。结果显示，OSSA组与正常组基因表达模式高度相似，差异表达基因仅占检测基因总数的0.01%，而Coseal组则引起更显著转录组改变。16s rRNA测序分析表明，OSSA组胃部细菌群落的α多样性和β多样性与健康组无显著差异，而Coseal组则导致菌群结构明显紊乱。

图6 OSSA生物粘合剂在大鼠模型中的体内粘附能力。 a) 大鼠模型中缝线、Coseal和OSSA生物粘合剂处理胃缺损的示意图。 b) OSSA生物粘合剂封闭胃缺损的大鼠模型代表性图像。步骤标记如下：1）胃完全暴露，2）制备8 mm切口，3）注射OSSA生物粘合剂，4）无缝线封闭效果。 c, d) 缝线、Coseal和OSSA生物粘合剂封闭后4周胃的肉眼观察、苏木精-伊红染色和免疫荧光染色。形态学图像中损伤部位以黑色箭头标记。标尺：500 μm。*代表残留材料。每个组织随机选择三个区域进行分析。 e) 经Coseal、OSSA生物粘合剂处理及对照健康组织胃上皮RNA测序数据的相关性分析（n=8个独立样本）。 f) OSSA组与对照组相比差异表达基因（P<0.05，倍数变化>1或<-1）的火山图。差异表达基因占所有检测基因的百分比和数量以白色标示（n=8个独立样本）。 g) 比较对照组、Coseal组和OSSA组大鼠胃部菌群β多样性的主坐标分析。

在更接近临床的大动物模型中，研究团队采用腹腔镜联合内镜技术，成功完成了3 cm大范围猪胃穿孔的无缝线修复。OSSA水凝胶可通过腹腔镜通道便捷递送，在湿滑的胃组织表面快速形成牢固粘附，手术时间远短于缝合组。术后4周随访显示，OSSA组所有猪只均存活，进食行为和体重增长正常，心电图检查未见心血管功能异常。联合内镜-腹腔镜监测显示，OSSA水凝胶逐渐降解，胃黏膜表面逐步愈合，瘢痕和炎症反应轻微。腹腔粘连评分显示，OSSA组粘连程度最低，明显优于缝合组、Coseal组和Histoacryl组。组织学和免疫荧光分析证实，OSSA组修复组织纤维化程度低，CD3、I型胶原和α-SMA表达均低于对照组。

图7 OSSA生物粘合剂在猪模型中封闭大范围胃缺损的效果。 a) 猪模型中缝线、OSSA和市售粘合剂处理胃缺损的示意图。 b) 缝线组、OSSA组、Coseal组和Histoacryl组治疗4周后胃缺损猪的体重变化。数据以均值±标准误（n=5个独立样本）表示。特定时间点来自一头猪的体重值视为一个独立单位。P值通过双因素方差分析结合最小显著差异事后检验确定。 c) 用于监测愈合过程和修复效果的联合腹腔镜-内镜技术示意图。 d) 不同时期猪胃的代表性内镜和腹腔镜图像（n=5个独立样本）。 e, f) 缝线组、OSSA组、Coseal组和Histoacryl组治疗4周后猪胃缺损组织的苏木精-伊红染色、马松染色及CD3、I型胶原和α-SMA标记的免疫荧光染色（n=5个独立样本）。标尺：500 μm。*代表残留材料。

综上所述，本研究报道的OSSA水凝胶生物粘合剂兼具快速原位凝胶化、即时湿态粘附、流体密封性及酸耐受性，能够在化学、流体和力学动态变化的胃环境中保持稳定粘附。该水凝胶基于FDA批准的聚乙二醇衍生物构建，具备优异的生物相容性和可控降解性。在报道的最大尺寸猪胃穿孔模型中，OSSA水凝胶通过微创技术实现了卓越的无缝线密封和有效修复，术后无粘连、炎症反应轻，且对胃组织转录组和微生物组无明显干扰。尽管处于临床前开发阶段，这一“即用型”生物粘合剂为大范围胃穿孔的微创、无创伤修复提供了极具前景的平台，也为其他消化道损伤和并发症的临床治疗开辟了新的可能性。