CN107029300A - 一种纳米自组装水凝胶在手术防粘连材料中的用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医学、生物技术领域，特别涉及一种纳米自组装水凝胶在用于手术防粘连材料中的用途，包括在人工硬脑膜材料中的用途、在用于颅神经手术中防粘连材料的用途、在用于防止手术软组织间发生粘连的材料中的用途。本发明还公开了一种用于手术中的防粘连材料，其包含纳米自组装水凝胶。本发明中的纳米自组装水凝胶为RADA16-1多肽的水溶液。本发明的纳米自组装水凝胶成分明确，无动物异源蛋白与病原体，可有效避免不确定成分对细胞的影响和损害；纳米自组装水凝胶在体内可自然降解成氨基酸，对细胞生长无毒无害，具有极好的生物相容性；纳米自组装水凝胶外观呈透明状，易于对细胞生长状态进行观察与研究，且操作方便。

Description

一种纳米自组装水凝胶在手术防粘连材料中的用途

技术领域

本发明涉及医学、生物技术领域，特别涉及纳米自组装水凝胶在手术防粘连中的用途。

背景技术

凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。这些高分子按其来源可分为天然和合成两大类。天然的亲水性高分子包括多糖类(淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸，壳聚糖等)和多肽类(胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等)。合成的亲水高分子包括醇、丙烯酸及其衍生物类(聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺，聚N-聚代丙烯酰胺等)。

自组装多肽水凝胶是多肽分子之间通过氢键、静电相互作用、疏水相互作用等非共价键自发完成组装，形成孔隙均匀的，含水丰富的三维框架材料。水凝胶材料是完美的细胞培养材料，可促进细胞迁移、刺激细胞再生等，有极其广泛的医用价值：例如可以加速伤口愈合；内科、外科、口腔等手术后的止血；促进软骨组织、硬骨组织、神经细胞组织的再生；牙龈组织的修复和再生以及烧伤、冻伤皮肤组织的再生等。皮肤细胞的迁移是维持年轻外观的关键因素，因此可以利用水凝胶的特性开发新一代美容行业的应用材料和日常皮肤护理材料，可用于整容等美容手术后的皮肤修复和再生，加速皮肤表层的细胞更新，保持皮肤的光泽和弹性。

多肽水凝胶是一种采用天然氨基酸合成的多肽，多肽在一定浓度的盐离子中可自发组装成纳米纤维，在生理条件下进一步交联，形成多孔网状结构的水凝胶。

据文献报道，多肽水凝胶主要用于细胞3D培养，细胞3D培养是指将具有三维结构的不同载体与不同种类的细胞在体外共同培养，使细胞能够在载体的三维立体空间结构中迁移、生长，构成三维的细胞-载体复合物。三维培养结构作为体外无细胞系统及单层细胞系统的研究与组织器官及整体研究的桥梁，显示了它既能保留体内细胞微环境的物质及结构基础，又能展现细胞培养的直观性及条件可控性的优势。

传统的单层细胞培养技术，由于细胞在体外改变的环境下增生逐渐丧失了原有的性状，在很多情况下所得到的研究结果和体内的情况不符合。动物实验又不具备直观性和可控性。3D细胞培养既具有二维培养的直观性和条件可控性，又可模拟细胞在体内的生长状态。多肽水凝胶在细胞3D培养中的应用到目前为止是最为广泛的。但目前尚没有多肽水凝胶应用于临床防粘连的报道。

现有技术中用于临床手术中防粘连的垫棉，如Teflon棉在实际应用中存在缺陷，包括如1、容易与周围组织发生粘连；2、刺激神经导致无效；3、粘连神经导致复发；4、影响神经脱髓鞘的修复。对于上述的问题，通常解决的方法包括：1.完善垫棉、2.制作新的垫棉，这个相对较难且在短时间内无法完成；3.在垫棉与神经之间增加隔离材料，隔离材料需要满足以下特点：相容性好、对神经刺激较小、不粘连、可吸收、塑形好。

为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明由此而来。

发明内容

本发明所要解决的第一方面技术问题是提供一种纳米自组装水凝胶在手术防粘连材料中的用途。

本发明一优选的技术方案中，所述的纳米自组装水凝胶在人工硬脑膜材料中的用途。

本发明一优选的技术方案中，所述的纳米自组装水凝胶在颅神经手术防粘连材料中的用途。

本发明一优选的技术方案中，所述的纳米自组装水凝胶在防止手术软组织间发生粘连的材料中的用途。

本发明一优选的技术方案中，所述的纳米自组装水凝胶为多肽自组装水凝胶；优选地所述的纳米自组装水凝胶为RADA16-1多肽水溶液或其盐的衍生物水溶液，RADA16-1氨基酸序列为:Ac-(RADA)₄-NH₂。

所述的纳米自组装水凝胶为多肽水溶液或其盐的衍生物水溶液，且其浓度为0.1w/v％-50w/v％质量体积浓度；优选为0.1w/v％-10w/v％质量体积浓度；更优选为0.1w/v％-2w/v％质量体积浓度；更优选为1w/v％质量体积浓度。

所述的自组装多肽水凝胶为RADA16-1多肽在一定浓度的盐离子或在人体组织液中自发组装成纳米纤维，进一步交联形成多孔网状结构的水凝胶。

本发明的第二方面是提供一种用于手术中的防粘连材料，其包含纳米自组装水凝胶。

所述防粘连材料为人工硬脑膜；所述防粘连材料为用于颅神经手术防粘连材料；所述防粘连材料为防止手术软组织间发生粘连的材料。

本发明一优选的技术方案中，所述的纳米自组装水凝胶为多肽自组装水凝胶；优选地所述的纳米自组装水凝胶为RADA16-1多肽水溶液或其盐的衍生物水溶液，RADA16-1氨基酸序列为:Ac-(RADA)₄-NH₂。

所述的纳米自组装水凝胶为多肽水溶液或其盐的衍生物水溶液，且其浓度为0.1w/v％-50w/v％质量体积浓度；优选为0.1w/v％-10w/v％质量体积浓度；更优选为0.1w/v％-2w/v％质量体积浓度；更优选为1w/v％质量体积浓度。

所述的自组装多肽水凝胶为RADA16-1多肽在一定浓度的盐离子或在人体组织液中自发组装成纳米纤维，进一步交联形成多孔网状结构的水凝胶。

RADA是张曙光教授等在1993年发现的一种可以自我组装的离子互补型多肽，并用其合成了水凝胶。RADA中的RADA16-1是目前最常用的自组装多肽，其氨基酸序列为:Ac-(RADA)₄-NH₂，它可以形成β折叠，通过自组装形成纳米纤维，进一步形成支架水凝胶，含水量可超过99.5％。

自组装肽段RADA16-1是一种离子互补肽，含有16个氨基酸，分子长度大约为5nm，其组成出现极性和非极性氨基酸残基交替；侧链分为两部分，一个为极性的，另一个为非极性的；内部的非极性残基通过疏水作用形成分子间的相互作用，带正、负电荷的残基通过离子互补键在分子间也形成相互作用，从而最终自组装形成纳米纤维。

多肽水凝胶的特点和优点：

(1)该多肽可通过人工设计、合成而获得；

(2)多肽序列本身来源于自然界，与生物体作用无免疫反应和毒副作用；

(3)通过多肽序列上的氨基或竣基，很容易对多肽序列进行修饰与修改；

(4)具备非常好的表面活性和生物相容性；

(5)易于被生物降解，且降解后产物是氨基酸单体，非但无毒，而且还可以作为生物体的营养物质。

本发明中，术语“颅神经手术”，主要指针对颅神经疾病的外科手术，颅神经疾病主要包括三叉神经痛、面肌痉挛、舌咽神经痛、面瘫、咬肌痉挛、眼睑痉挛、梅杰综合征、痉挛性斜颈、面部麻木、耳鸣、眩晕、视力视野障碍、复视等。这些疾病的发病基础和机理是血管压迫颅神经造成神经脱髓鞘而造成的。现有技术主要采用血管减压手术即在血管与颅神经间置入隔离材料---Teflon棉，使血管不能压迫神经而达到预期疗效，如：1、症状缓解：血管不能复位、垫棉不刺激神经、没有新的压迫出现；2、神经功能恢复：髓鞘在结构上修复、外界因素辅助、垫棉不影响修复。但Teflon棉在实际应用中存在容易与周围组织发生粘连、刺激神经导致无效、粘连神经导致复发等缺陷。本发明的自组装多肽水凝胶完全可以达到上述要求，用于颅神经疾病的治疗。

本发明用于手术中的纳米自组装水凝胶为多肽水溶液，优选为1％(w/v)质量体积浓度，成分明确，无动物异源蛋白与病原体，可有效避免不确定成分对细胞的影响和损害；纳米自组装水凝胶在体内可自然降解成氨基酸，对细胞生长无毒无害，具有极好的生物相容性；纳米自组装水凝胶外观呈透明状，易于对细胞生长状态进行观察与研究，且操作方便。

水凝胶在人工硬脑膜中的应用：

颅脑外伤、颅脑肿瘤等手术后常常造成不规则的脑创面，同时由于脑水肿或者自身硬脑膜缺损的原因，手术结束时需要人工硬脑膜将脑创面覆盖，目前的人工硬脑膜对于覆盖规则的脑创面基本能达到临床的要求，但是在不规则脑创面上的应用效果还不太理想，主要是由于现有的人工硬脑膜的组织贴敷性能不佳。本发明则利用水凝胶组织相容性好、对神经组织刺激性小、不粘连、可吸收、尤其是塑形好的特性，将水凝胶喷散在不规则的脑创面上能够完全贴敷和覆盖，从而发挥保护脑组织和防止局部粘连的作用，水凝胶的这种特性尤其适合应用在颅脑外伤手术中的脑创面覆盖和硬脑膜的修复。

水凝胶在颅神经疾病治疗中的应用：

颅神经疾病的发病原理是血管压迫颅神经造成神经脱髓鞘而造成临床症状，如三叉神经痛、面肌痉挛、舌咽神经痛、面瘫等，现临床应用的方法主要是在血管与颅神经间置入防隔离的材料-Teflon棉，但是该材料常会造成与周围的组织发生粘连，使病情复发，影响神经脱髓鞘的修复。本发明则利用水凝胶相容性好、对神经刺激性小、不粘连、可吸收、塑形好的特性，在垫棉与神经之间注入多肽自组装水凝胶，使其不能发生粘连从而促进神经脱髓鞘的修复。

水凝胶在软组织中，特别是四肢软组织中的应用：

人体的软组织中混合有神经和血管，软组织本身的缺血性改变、严重糖尿病引起的软组织营养不良、软组织外伤或烧伤等多种原因都可以导致软组织的粘连，比如临床上常见的糖尿病后期出现的四肢神经与周围组织之间的粘连，已经成为导致肢体功能障碍甚至截肢的重要原因，目前的治疗也是采用分离粘连、松解神经、恢复组织血供和防止术后再次粘连为主要的治疗方法。但是，至今还缺少非常有效的防止软组织间粘连发生的措施。因此，如何防止手术后组织间的这种粘连一直是神经外科医生、整形外科医生和骨科医生面临的难题。本发明则利用水凝胶组织相容性好、对组织刺激性小、不粘连、可吸收、尤其是吸收时间可控和减少组织间粘连的特性，将水凝胶喷散在手术创面上或者周围神经四周，从而发挥防止局部粘连和促进神经功能恢复的作用，正因为水凝胶的这种防粘连特性，可以将其应用在绝大多数涉及软组织的外科手术中。

附图说明

图1为多肽水凝胶原子力显微镜拍摄的纳米纤维结构图。

图2为多肽RADA16-1的原子结构图。

图3A显示没有植入人工硬脑膜的颅脑创伤手术后脑创伤表面发生严重粘连；图3B显示植入人工硬脑膜的颅脑创伤手术后脑创伤表面光整，脑皮层与皮下组织间无明显粘连。

图4A显示人工硬脑膜修补硬脑膜缺损示意图；图4B显示颅脑外科手术中人工硬脑膜修补硬脑膜缺损。

图5为明胶海绵处理组的兔颞叶示意图，图5A显示在硬脑膜缺损区形成一层不规则的膜样组织；图5B显示新生的膜样组织与颞叶皮层间粘连明显，而且颞叶表面高低不等、外观不规则，皮层没有修复不佳。

图6为水凝胶处理组的兔颞叶示意图，图6A显示在颞叶表面的硬脑膜缺损区形成了一层胶样保护膜；图6B显示切开胶样保护膜后发现颞叶与胶样保护膜之间没有粘连，分界清楚，容易分离；图6C显示颞叶表面光滑修复完好。

图7为Teflon处理的面神经外观示意图。

图8为水凝胶处理的面神经外观示意图。图8A为脑干及面神经根正面观，图8B为脑干及面神经根侧面观。

具体实施方式：

为进一步理解本发明，下面结合具体实施例对本发明优选方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

聚酯纤维涤纶棉(购于北京佰仁医疗科技有限公司)；RADA16-1多肽水凝胶粉剂(上海淘普生物科技有限公司合成)；新西兰大白兔(上海交通大学动物实验中心)。

RADA16-1多肽水凝胶粉剂由上海淘普生物科技有限公司合成，10mg/管，纯度99.9％。

使用时按照0.1％-10％(w/v)的多肽和90％-99.9％(w/v)的水组成进行制备，优选地由0.1％-1％(w/v)的多肽和90％-99.9％(w/v)的水组成进行制备；更优选地由1％(w/v)的多肽和99％(w/v)的水组成进行制备。

实施例1

准确称量1mg的RADA16-1多肽水凝胶粉剂，将其倒入无菌管中，用移液枪吸取1mL灭菌水，轻轻混匀备用，即得到0.1％的多肽水凝胶。

实施例2

准确称量10mg的RADA16-1多肽水凝胶粉剂，将其倒入无菌管中，用移液枪吸取1mL灭菌水，轻轻混匀备用，即得到1％的多肽水凝胶。

实施例3纳米自组装水凝胶在人工硬脑膜材料中的用途

颅脑创伤的治疗方法是打开脑组织清除血肿、修复硬脑膜缺损，但手术过程中，经常出现脑表面挫伤渗血、硬脑膜缺损无法缝合，为手术的顺利进行造成障碍，如图3A、3B所示。

为了解决上述问题，现多采用脑硬膜来进行覆盖或缝合，如图4A、4B所示。这种硬脑膜的修复虽然可以起到隔离、防止粘连的作用，但还存在多种不足：塑形性不够；贴敷性不够；异物(不吸收、吸水后增厚)；无止血作用；无促进神经功能修复作用。

将上述按照实施例2制备的自组装多肽水凝胶制作成液态的人工硬脑膜，将其喷散在脑表面，既能止血、自我组装覆盖创面，又可促进神经功能的修复，使用也较为方便。需要具有塑形性好、贴敷性好、可吸收、置入后不增厚、有止血作用、有促进神经功能修复作用、使用方便的特点。

实施例4新西兰大白兔颞叶损伤模型：

1、取健康新西兰大白兔一只，称重(重量3kg左右)，用10％水合氯醛(5mL/Kg)腹腔注射麻醉，颞部备皮，准备手术器械。

2、大白兔侧卧于操作台上，固定。消毒、铺巾，颞部作一直切口，暴露颅骨。牙科钻磨除颞骨，骨窗直径约1cm。切开硬膜，运用注射器针头挫伤脑皮质并电凝止血。对照组加入明胶海绵，实验组则在损伤表面涂上实施例2制备的水凝胶。缝合皮肤。

二、颞叶损伤动物取材：

1、灌注：将需取材动物用10％水合氯醛(5mL/Kg)腹腔注射麻醉；

2、取材：原切口切开皮肤、肌层，显露骨窗，沿骨窗将颞骨完全打开，暴露双侧颞叶，观察损伤处颞叶，将损伤处及其周围0.5cm处正常颞叶切取送病理。

三、试验结果

该实验分为实验组和对照组，其中1号兔为对照组，2、3、4号兔为实验组，实验结果如下：

1号兔，皮层损伤加明胶海绵：开颅后发现圆形损伤创口，直径约1cm，表层组织覆盖，并整体与脑组织(脑膜)粘连。剥离取创口和以下组织脑组织，剥离前结果如图5所示。

2号兔，皮层损伤加水凝胶：开颅后发现圆形损伤创口，直径约0.5cm，表层组织覆盖，整体与脑组织(脑膜)无粘连，创口下方脑组织表面光滑，颜色微黄(拟水凝胶)。剥离取创口和以下组织脑组织，剥离前结果如图6A所示。

3号兔，皮层损伤加水凝胶：开颅后发现圆形损伤创口，直径约0.4cm，表层组织覆盖，整体与脑组织(脑膜)无粘连，创口下方脑组织表面光滑，颜色微黄(拟水凝胶)。剥离取创口和以下组织脑组织，剥离前结果如图6B所示。

4号兔：皮层损伤加水凝胶：开颅后发现圆形损伤创口，直径约0.4cm，表层组织覆盖，整体与脑组织(脑膜)无粘连，创口下方脑组织表面光滑，颜色微黄(拟水凝胶)。剥离取创口和以下组织脑组织，剥离前结果如图6C所示。

实施例5

一、面神经周围植入Teflon、水凝胶模型的制作：

1、取健康新西兰大白兔一只，称重(重量3kg左右)，用10％水合氯醛(5mL/Kg)腹腔注射麻醉，枕部备皮，准备手术器械；

2、大白兔左侧卧于操作台上，固定。消毒、铺巾，左侧枕颞部弧形切口。切开皮肤、肌层，向外侧分离皮肌瓣并牵开，暴露枕骨大孔及横窦、乙状窦对应颅骨。

3、牙科钻磨除枕骨，并运用持针器扩大骨窗，上方到横窦，下方至枕骨大孔，外侧到乙状窦，内侧至中线，止血。切开硬膜，释放脑脊液，将右侧小脑半球小心牵开，松解蛛网膜，逐渐显露面神经。

4、对照组白兔的面神经周围植入Teflon棉；实验组的面神经周围植入Teflon棉，并在面神经与Teflon棉间注入0.5mL水凝胶。止血后逐层缝合肌肉、皮肤。

二、面神经周围Teflon、水凝胶动物取材：

1、灌注：将需取材动物用10％水合氯醛(5mL/Kg)腹腔注射麻醉；

2、开腹，暴露腹主动脉、下腔静脉以备灌注时阻断用。

开胸暴露心脏，行左心室穿刺并留置穿刺鞘。首先用肝素生理盐水250毫升灌注，冲出血管内血液；然后运用甲醛250毫升灌注固定(灌注时阻断腹主动脉、下腔静脉，以便颅内灌注更充分)。

3、取材：原切口切开皮肤、肌层，显露骨窗，沿骨窗将枕骨完全打开，暴露双侧小脑、脑干(去除颅骨时避免脑干、神经破坏)。去除小脑半球，显露双侧面神经全长，观察后切取面神经全长(出脑干端及进入内听道端)及周围粘连组织，完整取出后送病理。同样切取对侧面神经及周围组织送病理。

三、试验结果

该实验分为实验组和对照组，其中1号兔为对照组，2、3号兔为实验组，剥离后实验结果如下：

1号兔，面神经Teflon：开颅剥离暴露面神经和脑干，发现右侧面神经根部明显粘连，似包裹Teflon垫片。左侧根部完整无粘连；剥离后如图7所示。

2号兔，面神经Teflon加水凝胶：开颅剥离暴露面神经和脑干，发现右侧面神经根部无明显粘连，神经完好，周边取出片状凝固水凝胶，约0.3cm³。左侧根部完整无粘连，剥离后如图8A所示。

3号兔，面神经Teflon加水凝胶：开颅剥离暴露面神经和脑干，发现右侧面神经根部轻度粘连，神经完好，周边取出少量凝固水凝胶。左侧根部完整无粘连。(该只兔子右侧神经发生轻度粘连可能与停留在神经周边的水凝胶量较少有关)，剥离后如图8B所示。

Claims (18)

1.一种纳米自组装水凝胶在手术防粘连材料中的用途。

2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述的纳米自组装水凝胶在人工硬脑膜材料中的用途。

3.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述的纳米自组装水凝胶在颅神经手术防粘连材料中的用途。

4.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述的纳米自组装水凝胶在防止手术软组织间发生粘连的材料中的用途。

5.根据权利要求1-4任一项所述的用途，其特征在于，所述的纳米自组装水凝胶为多肽自组装水凝胶。

6.根据权利要求5所述的用途，其特征在于，所述的纳米自组装水凝胶为RADA16-1多肽水溶液或其盐的衍生物水溶液，RADA16-1氨基酸序列为:Ac-(RADA)₄-NH₂。

7.根据权利要求5所述的用途，其特征在于，所述的纳米自组装水凝胶浓度为0.1w/v％-50w/v％。

8.根据权利要求5所述的用途，其特征在于，所述的纳米自组装水凝胶浓度为0.1w/v％-10w/v％。

9.根据权利要求1，6-8任一项所述的用途，其特征在于，所述的自组装多肽水凝胶为RADA16-1多肽在一定浓度的盐离子或在人体组织液中自发组装成纳米纤维，进一步交联形成多孔网状结构的水凝胶。

10.一种用于手术中的防粘连材料，其特征在于，其包含纳米自组装水凝胶。

11.根据权利要求10所述的防粘连材料，其特征在于，所述防粘连材料为人工硬脑膜。

12.根据权利要求10所述的防粘连材料，其特征在于，所述防粘连材料为用于颅神经手术防粘连材料。

13.根据权利要求10所述的防粘连材料，其特征在于，所述防粘连材料为防止手术软组织间发生粘连的材料。

14.根据权利要求10-13任一项所述的防粘连材料，其特征在于，所述的纳米自组装水凝胶为多肽自组装水凝胶。

15.根据权利要求14所述的防粘连材料，其特征在于，所述的纳米自组装水凝胶为RADA16-1多肽水溶液或其盐的衍生物水溶液，RADA16-1氨基酸序列为:Ac-(RADA)₄-NH₂。

16.根据权利要求14所述的防粘连材料，其特征在于，所述的纳米自组装水凝胶浓度为0.1w/v％-50w/v％。

17.根据权利要求14所述的防粘连材料，其特征在于，所述的纳米自组装水凝胶浓度为0.1w/v％-10w/v％。

18.根据权利要求15-17任一项所述的防粘连材料，其特征在于，所述的纳米自组装水凝胶为RADA16-1多肽在一定浓度的盐离子或在人体组织液中自发组装成纳米纤维，进一步交联形成多孔网状结构的水凝胶。