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Bioactive Materials|中山眼科中心袁进团队研发光固化生物粘合水凝胶实现无缝线角膜移植


传统角膜移植手术中角膜植片通过显微缝线固定,但是术后存在缝线相关散光、新生血管、缝线感染和植片排斥等诸多潜在并发症,影响角膜移植手术远期疗效。无缝线固定技术一直是研究的热点,目前常用的组织粘合剂氰基丙烯酸酯和纤维蛋白胶,前者具有一定毒性、缺乏透明度和柔韧性以及快速聚合过程存在产热效应,而低粘附强度是纤维蛋白粘合剂不可避免的缺点。

 

2021年7月6日,中山大学中山眼科中心为唯一单位,袁进教授作为唯一通讯作者,赵轩博士后和李赛群副主任医师为共同第一作者在Bioactive Materials(Available online 6 July 2021,工程技术Top期刊,中科院一区,影响因子14.593)发表题为“Natural Polymer-Derived Photocurable Bioadhesive Hydrogels for Sutureless Keratoplasty”的研究论文。该工作研发了一种由甲基丙烯酰化明胶(GelMA)和氧化葡聚糖(ODex)组成的光固化生物粘合性水凝胶。该新型生物粘合剂具备良好的光学透明性、组织粘附性和细胞生物相容性,实现了无损伤、无缝线原位固定板层角膜植片,为眼科和外科手术的组织固定提供了新的思路。这也是该团队继“纳米复合型生物载药角膜接触镜(ACS Nano 2016)”、“化学结枝修饰生物活性羊膜(Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 2020)”之后又一重要成果。

在这项研究工作中,研究人员设计了一种基于GelMA的粘合性水凝胶,并通过引入ODex在可见光下固化形成双网络、双交联凝胶,实现快速有效、安全的固化与粘合(图1)。

 

1  新型水凝胶分子构型和外观

新型水凝胶具有理想的粘合剂理化特性,其凝固后的透光率在可见光范围内均超过90%。且优选成分比例(G20OD5)的粘合性凝胶具有最低的溶胀率(11.19±0.59%)和最佳的耐酶解性。在离体的猪角膜压力测试中,G20OD5可承受超285 mmHg的眼内压,这些性质有利于角膜厚度的维持及长时间的牢固粘合。(图2)。

 

2  新型水凝胶理化特性

通过平面培养和三维立体培养的体外细胞实验证明,该粘合体系无细胞毒性且不会引起角膜基质纤维细胞的转型,导致额外的角膜基质瘢痕反应(图3)。

 

3  新型水凝胶生物安全性

在新西兰兔角膜板层移植模型中,该粘合剂表现出良好的操作便捷性,将粘合性水凝胶预聚液滴加在植床上后,对合供体角膜。再通过可见光(405nm)光照4分钟实现供体与受体组织的粘合,前段OCT图像显示术后角膜供体与受体贴合紧密,边缘连接处无明显缝隙(图4)。

 

4 新型水凝胶光固化重构

采用该生物粘合剂替代传统缝线固定,角膜植片与角膜植床贴附良好,裂隙灯显微镜和眼前段OCT均显示移植后角膜保持良好光学透明性和表面弧度。H&E染色的显示术后56天角膜上皮层已恢复正常厚度,未观察到炎症细胞。结合电镜显示角膜基质层结构正常,受体与供体整合良好,粘合剂的缓慢降解特性完美匹配于植片-植床愈合规律(图5)。

 

5  新型光固化凝胶的在体转归

该团队研发的光固化生物粘合性水凝胶,具有高透光率、耐酶解和优异的生物相容性,以及更高的粘附强度,新型凝胶的光固化特性为手术医生进行手术设计规划提供了便捷可操作性,实现角膜植片的原位无缝线固定。

本项研究成果得到了国家自然科学基金(81870633)、广东省重点领域研发计划(2020B1111150002)的支持。

 

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X21003224

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