《Materials Today Chemistry》：Bioinspired catechol-based photocurable tissue sealants
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光固化组织密封剂通过硫-烯反应制备，使用硫醇化单体制备与PEGDA共聚，在紫外及可见光下快速固化，胃肠道和皮肤组织粘合强度达11.3和29.6 kPa，优于商业产品，经细胞毒性测试证实生物相容性。
阿尔巴·洛佩兹-莫拉尔（Alba López-Moral）、米格尔·安赫尔·莫雷诺-维利亚埃西哈（Miguel ángel Moreno-Villaécija）、萨尔维奥·苏亚雷斯-加西亚（Salvio Suárez-García）、何塞·博拉诺斯-卡德特（Jose Bola?os-Cardet）、何塞普·塞多-韦加拉（Josep Sedó-Vegara）、拉蒙·阿利贝斯（Ramon Alibés）、胡安·曼塞博-阿拉西尔（Juan Mancebo-Aracil）、哈里茨·萨尔多恩（Haritz Sardon）、李海信（Haeshin Lee）、克劳迪奥·罗斯奇尼（Claudio Roscini）、马科·桑格曼诺（Marco Sangermano）、费利克斯·布斯克（Félix Busqué）、丹尼尔·鲁伊斯-莫利纳（Daniel Ruiz-Molina）
西班牙巴塞罗那纳米科学与纳米技术研究所（ICN2）、西班牙国家科学研究中心（CSIC）和巴塞罗那工业大学（BIST），邮编08193，贝拉特拉（Bellaterra）
摘要
本文报道了一种可通过硫醇-烯反应制备的光固化组织密封剂。该密封剂由硫醇功能化的儿茶酚单体与两种聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）商业单体在光引发剂BAPO的存在下反应生成。混合物直接应用于组织，并同时接受紫外线和可见光（蓝光LED）的照射。通过爆破压力（BP）测量评估了其粘附性能。结果显示，该密封剂对胃肠道组织和外部皮肤组织的粘附效果非常迅速（分别为11.3 kPa和29.6 kPa），与市售产品相当。重要的是，体外细胞毒性实验在两种细胞系（HaCaT和HFF-1）中证实了该密封剂的生物相容性：一种实验是将固化材料置于细胞培养基中，另一种实验是在细胞表面直接固化该制剂，从而验证了该方法的生物相容性。
引言
传统的临床解决方案，如缝合线、夹子和订书钉，虽然可靠，但常常会导致感染、渗漏和愈合时间延长[1]。为克服这些缺点，市场上已经出现了创新性的外科密封剂，这些密封剂分为天然和合成两类。最常用的天然聚合物包括基于纤维蛋白的材料，但其粘附性能不稳定且可能引发过敏反应[2]；明胶和胶原蛋白虽然能改善纤维蛋白胶的粘合效果，但仍需进一步改进以实现无缝合的伤口闭合。合成聚合物（如氰基丙烯酸酯[3,4]）虽然粘附性能较好，但可能具有较高的细胞毒性。相比之下，基于PEG的配方具有更好的生物相容性，但其高膨胀率可能导致组织应力增加，从而引发组织脱离[5,6]。文献中还报道了其他例子，例如用于血管组织修复的原始丝素纤维蛋白，与明胶甲基丙烯酸酯（GMA）结合用于角膜穿孔治疗[7]，或使用DNA与酰基化物交联的透明质酸治疗硬脑膜[9]，以及最近在心脏主动脉中使用的基于二唑环连接壳聚糖的光固化水凝胶[10]。尽管已有成功的案例，但仍然存在对可生物降解和/或生物相容的创新组织粘合剂的需求，这类粘合剂能在潮湿环境中形成牢固且柔性的密封层，并缩短固化时间以减少手术并发症。
光固化组织密封剂因其能够在温和的生理条件下快速进行空间可控的聚合而具有特别大的潜力[11, [12], [13]]。这种按需激活的特性使得它们适用于精细或微创手术环境。然而，许多现有的光固化系统在湿润或动态组织表面的粘附性能较差，限制了其临床应用。因此，人们开始关注含儿茶酚功能团的聚合物[14, [15], [16]]。这类材料的灵感来源于贻贝足蛋白（Mfps）所赋予的强大且持久的水下粘附能力。这类蛋白质富含3,4-二羟基苯丙氨酸（DOPA）氨基酸，它通过形成强氢键和配位键促进对表面的牢固粘附。除了粘附作用外，DOPA还能通过氧化交联与其他儿茶酚或有机官能团结合，增强材料的凝聚力[17,18]。总之，受贻贝启发的粘合剂正在被开发用于外科手术，为组织工程提供生物相容的材料[19]。此外，这些化合物还具有强抗菌性能和坚固、柔性的密封特性，非常适合外科应用[20]。
迄今为止，已有许多相关研究报道。例如，2022年有一种由明胶甲基丙烯酰儿茶酚和PEGDA组成的光固化注射用水凝胶在体外肺模型中表现出良好的粘附性能[21]；同一研究团队还描述了一种可用于组织的光交联复合密封剂，尽管固化时间较长（需要几分钟[22]。2023年，一种基于儿茶酚接枝透明质酸的水凝胶在光诱导下能够有效封闭大鼠的胃穿孔，尽管其在猪胃组织间的粘附强度较低[23]。同年，另一种由儿茶酚支链聚丙烯酰胺网络和羧甲基壳聚糖-醛透明质酸共价网络组成的注射用水凝胶显示出快速的伤口闭合能力和良好的机械强度[24]。2024年，又有研究报道了一种由聚氧乙烯二丙烯酸酯（Poloxamer F127）和多巴胺修饰的透明质酸甲基丙烯酸酯组成的水凝胶，可用于角膜修复[25]。
尽管已有这些开创性的成果，但仍需要寻找新的方法来开发有效的基于儿茶酚的光固化密封剂。为此，本文提出了合成含硫醇的儿茶酚单体，通过光固化硫醇-烯反应制备可交联的外科密封剂。这些单体的合成方法已用于实现强表面粘附（未在生物组织中进行测试[26]、控制表面润湿性的无色涂层以及赋予纳米粒子生物相容性和胶体稳定性[27]，但这种方法尚未被用于主动的光触发型组织密封剂。图1a展示了该合成过程的示意图、通过爆破压力（BP）测量的结果及其潜在应用。
这种基于硫醇和烯烃官能团高效逐步聚合反应的化学方法相比传统的自由基聚合具有多项优势，包括在温和条件下快速固化、低氧气抑制以及高度均匀的网络形成[28, [29], [30]]。具体来说，我们提出了单体m1和m2与PEG二丙烯酸酯（PEGDA）的共聚反应（图1b），通过硫醇和丙烯酸基团之间的光诱导硫醇-烯反应实现交联。PEG的分子量显著影响基于PEG的生物材料的机械和粘附性能。增加PEG链长可以提高聚合物网络的柔韧性和凝聚力，从而调节水凝胶系统的粘附性和机械性能。在本研究中，选择了两种液态PEGDA（分子量分别为250和700，含有约2个和12个乙二醇单元），以评估链长对性能的影响，因为高分子量的PEG容易变得半固态或蜡状。最后，为了验证我们的方法，还将进行两项额外的模型实验：i) 单体1的均聚反应；ii) 单体1与PEG连接剂的共聚反应，不使用光照射或采用其他化学聚合方法和交联剂。
材料
所有市售试剂均从Sigma Aldrich购买，三氟乙酸除外，该试剂从TCI购买。除非另有说明，所有试剂均按原样使用。合成级溶剂从Scharlab, S.L.购买，无需进一步纯化。干燥的甲苯通过适当的干燥剂（Na0）进行蒸馏处理。所有单体的合成过程均通过硅胶60 F254预涂层的薄层色谱法（TLC）进行监测。
单体的合成
单体m1的产率为39%，采用我们研究小组之前描述的方法制备，该方法用于将硫醇衍生物与儿茶酚基团结合[31,32]。具体步骤为：在氧化条件下使用NaIO4将儿茶酚转化为相应的醌，然后用二氯甲烷（DCM）提取，并直接加入三硫醇溶液中，通过1,6-硫醇-迈克尔加成反应形成S–C键（方案1a）。通过柱层析法纯化单体m1。
结论
总体而言，含有DMS的硫醇化单体是通过硫醇-烯反应制备光固化密封剂的有前景的方法。在探索了不同的实验条件、PEG链长度、硫醇交联和儿茶酚保护方式后，p(b2-PEGDA700)配方取得了最佳结果，这可能是由于交联能力和反应效率的结合。尽管实验变异性可能影响粘附性能，但其粘附强度仍具有竞争力。
CRediT作者贡献声明
阿尔巴·洛佩兹-莫拉尔（Alba López-Moral）：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、方法学设计、实验研究、数据分析。米格尔·安赫尔·莫雷诺-维利亚埃西哈（Miguel ángel Moreno-Villaécija）：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。萨尔维奥·苏亚雷斯-加西亚（Salvio Suárez-García）：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计、数据分析、概念构建。何塞·博拉诺斯-卡德特（Jose Bola?os-Cardet）：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计、数据分析。何塞普·塞多-韦加拉（Josep Sedó-Vegara）：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了PID2024-161565OB-C21、PID2019-106403RB-I00和PID2022-139826OB-I00项目的资助，这些项目由MICIU/AEI（资助编号10.13039/501100011033）和EUFEDER（资助编号2021SGR00135）提供支持。ICN2由CERCA计划/加泰罗尼亚政府资助，并得到Severo Ochoa卓越中心计划（资助编号CEX2021-001214-S）的支持，该计划由MICIU/AEI（资助编号10.13039.50110001103）提供资金。我们感谢CSIC开放获取出版支持计划通过其出版支持单元提供的资助。
