生物粘附水凝胶在快速止血与组织修复领域极具应用潜力,但其临床转化仍受限于力学性能不足、粘附作用短暂以及创面纤维化愈合不受控等问题,易引发疼痛、延长愈合周期并形成明显疤痕。
2026年4月20日,中国科学院兰州化学物理研究所李斌、马延飞、兰州大学陈永林共同通讯在Advanced Science(IF=14.1)在线发表题为Dual-Network Protein Hydrogels Promote Rapid Hemostasis and Immune-Regulated Scarless Tissue Regeneration的研究论文。
本研究构建了一种可注射双网络纤维蛋白-葡聚糖水凝胶,该体系整合了纤维蛋白固有生物活性、甲基丙烯酰化葡聚糖(Dex-MA)的力学可调性,以及由甲基丙烯酰胺多巴胺(DMA)介导的对湿润、光滑创面皮肤的强粘附性能。该水凝胶可通过凝血酶与二硫苏糖醇实现酶促与氧化还原双重交联,形成具备可编程刚度及动态粘附特性的适应性网络。
除快速止血功能外,该水凝胶还具备优异的抗炎与抗瘢痕形成活性,可通过清除活性氧(ROS)、诱导巨噬细胞向促再生M2表型极化实现上述作用。转录组测序(RNA-seq)分析进一步证实,该水凝胶可激活抗氧化防御通路,并抑制TGF-β介导的纤维化信号通路,从而减少胶原蛋白过度沉积,抑制瘢痕组织生成。在大鼠肝脏出血模型与鼠尾截肢出血模型中,该水凝胶可显著减少失血量、缩短止血时间,并实现无疤痕创面愈合。
本研究构建了集止血、免疫调控、抗纤维化愈合于一体的仿生水凝胶平台,为下一代无疤痕组织再生用生物粘附材料的设计提供通用、长效的技术策略。
失控出血仍是全球可预防死亡和残疾的主要原因。因此,在损伤早期进行快速且有效的止血对于挽救生命至关重要。皮肤作为人体首要的物理与免疫屏障,常遭受机械性与热损伤性影响。尽管皮肤伤口最终可自发愈合,但几乎无法恢复皮肤原有结构,愈合结局往往是形成缺乏毛囊、汗腺等重要附属器的纤维化疤痕组织。
伤口愈合过程协同经历止血、炎症、增殖及重塑四个阶段。然而,过量活性氧(ROS)会破坏这一过程,导致炎症延长、胶原蛋白沉积受损、血管生成障碍及病理性疤痕形成,引发严重的临床与社会经济负担。
因此,有效的伤口管理需要一套多功能策略,能够应对多项相互关联的挑战。迫切需要结合生物活性、适应性和机械坚固性的下一代伤口敷料,尤其适用于复杂创伤和急救。近年来,双网水凝胶备受关注,但研究主要集中在合成聚合物系统,其功能化策略高度依赖外源性药物或生物活性因子负载。
这不仅增加了制备的复杂性,还存在爆发性释放、失活和潜在的免疫原性风险。天然多糖相比合成聚合物材料,具有卓越的生物相容性和化学多样性。其丰富的羟基使甲基烯酸酯或硫醇基团能够功能化,从而实现原位交联和注射。与此同时,纤维蛋白作为天然凝血级联反应的关键成分,具有内在的止血和促血管生成特性。然而,仅使用纤维蛋白水凝胶则存在力学薄弱且降解迅速,限制了其临床效用。
为解决这些局限性,本研究设计并构建了一种可注射双网络水凝胶,集成仿生粘附、力学可调及多功能生物活性。该凝胶整合纤维蛋白、甲基丙烯酰化葡聚糖(Dex-MA)与儿茶酚修饰的甲基丙烯酰胺多巴胺(DMA),耦合纤维蛋白的止血与生物相容性、葡聚糖的力学可调性及抗炎能力,同时借助儿茶酚基团模拟贻贝足蛋白,赋予强大组织粘附性。
水凝胶通过凝血酶与二硫苏糖醇(DTT)触发纤维蛋白原与Dex-MA–DMA的双重交联原位形成。注射后,前驱液在37°C快速凝胶化,顺应不规则伤口形态,形成稳定粘附屏障。这种仿生双网络结构通过多机制协同,在动态伤口微环境中实现止血、抗炎、再生一体化,同时在复杂创伤修复中完成快速止血、炎症有序消退与疤痕最小化。这种“止血- 抗炎- 再生”一体化进程设计,超越了通常仅聚焦单一阶段或功能的现有材料。
纤维蛋白-葡聚糖-MA-DMA水凝胶的制备合成示意图(摘自Advanced Science)
研究假设,这种仿生双网络结构可实现协同止血与免疫调控,加速伤口闭合并减少疤痕形成。为验证该假设,研究系统表征了双网络水凝胶的微观结构、力学性能、粘附强度及ROS清除能力,并评估了其体外止血性能、细胞相容性与免疫调控功能。
在大鼠肝脏与尾截肢模型中,与商用明胶海绵相比,该纤维蛋白 - 葡聚糖水凝胶可将失血量降至 24%、止血时间缩短至 18%。RNA-seq、免疫荧光与组织学分析揭示,该水凝胶通过激活抗氧化防御通路、重塑ECM、驱动巨噬细胞向M2表型极化及增强血管生成,促进无疤痕伤口愈合。
综上,将生物止血与化学交联、儿茶酚基粘附相结合,可实现快速止血、免疫调控及无疤痕组织再生,为复杂与紧急伤口管理提供了一种极具前景、可通用的策略。
原文链接:https://doi.org/10.1002/advs.75324