研究背景

手术部位感染是手术患者预后不良的最常见原因，占手术并发症的 38%。目前常用的药物洗脱方法会导致材料附着性的损失或不适用于皮肤消毒。现有的组织粘合剂不关注预防手术部位感染。延世大学Jinkee Hong团队开发了一种易于处理、可大尺寸、可卷曲、可定制和可塑的I型丝素蛋白网（t1SG）。干燥的t1SG几乎没有附着性，但在浸入药物溶液后表现出一定的粘附力，甚至t1SG超过商业产品的粘附性能。t1SG可以通过物理保护病变区域免受病原体渗透，并通过洗脱的消毒剂对其进行生化消毒，这种双重功能被认为是双效消毒。

研究内容

I型丝素蛋白由许多游离链组成，这些游离链与周围环境充分结合（图1）。此外，当t1SG水合时，游离链变得可移动且更具交互性。因此，水合t1SG通过非共价键对生物粘附物具有强大的粘附力。

图1 t1SG和双效消毒的概念化

适用含 6.0wt%CaCl2的甲酸溶解蚕茧，将溶解的丝素蛋白浇铸并干燥过夜，在60℃热处理2h 后，获得t1SG，厚度固定为400μm。将 t1SG 暴露于无水乙醇培养基中过夜以产生t2SG。广角X射线散射（WAXS）的2D环图分别确认了t1SG和t2SG内的I型和II型构象（图2）。拉曼散射分析结果验证了t1-和t2SG的内在丝素蛋白类型。从1400-1500cm-1内的拉曼光谱中评估了I型与II型构象（即Silk I/Silk II）的比率：∼75%的t1SG呈现I型构象，而∼70%的t2SG 表现出II型构象。

图2 丝素蛋白的类型和相应的粘附力

对 t1SG和t2SG进行了搭接剪切和180°剥离测试，证明了I型构象在实现强大的粘附力方面的重要性。湿t1SG强烈粘附在医用级塑料上，剪切强度 （∼51.8 kPa）和界面韧性（∼359 J m–2）的t1SG高于由白蛋白、氰基丙烯酸酯、纤维蛋白或聚乙二醇组成的商业组织粘合剂。

图3 粘附强力

为了证明t1SG在生物-生物界面中的潜力，使用提取的牛心包和猪皮肤组织作为离体组织粘附物来估计剪切应力、粘附能密度和界面韧性（图4）。t1SG的游离链由许多肽键组成。肽键同时充当氢键受体和供体。因此，t1SG的游离链与羰基化合物和哺乳动物组织的胺基非共价相互作用。尽管t1SG在猪皮肤上的界面韧性下降了∼12%，但仍比现成的组织胶粘剂高出∼7.3倍。猪皮中的高脂质含量会导致皮肤表面变得光滑，界面韧性略有损失。一旦粘附在曲线人体皮肤上，t1SG就可以承受图4c所示的所有过程中的累积应力。粘附在食指上的t1SG在环境和水下条件下承受了重复的180°弯曲。t1SG在例如洗手等日常生活中也保持粘附。

图4 t1SG 在不同生物条件下的粘附性能

通过使用丝素蛋白特异性小分子硫黄素T（ThT）监测t1SG的洗脱动力学。t1SG 的洗脱曲线与现有药物洗脱支架的洗脱曲线相当。洗脱速率常数（KH）为3.46 mg cm-3min-1/2，满足所需的双效消毒的剩余要求。t1SG 对生物降解是稳定的，这意味着双效消毒对各种器官的广泛体内应用前景。

图5 t1SG 的洗脱动力学和酶稳定性

采用了腹膜炎SKH1小鼠模型验证所提出的治疗方法（即双效消毒）在预防手术部位感染和确保体内良好预后方面的有效性。t1SG或手术胶带（ST）连接到剖腹探查部位以覆盖导管结合孔。当t1SG引入时，它可以实现对附着部位的一致和毫克级双作用消毒12h，而不会限制小鼠移动。因此，通过双效消毒，P6 的存活率提高了1.75倍（图6）。ST 治疗组在P8附近呈零生存率，表明严重腹膜炎的死亡率极高。此外，与未消毒的组相比，双效消毒将腹膜内损伤程度大约减少了一半。

图6 与双效消毒相关的预后调查

监测了对相关器官（例如肝、肾、肺和脾脏）的继发损伤程度，以评估 t1SG双效消毒的治疗意义。来自提取器官的荧光信号（图7b）和组织学检查结果证实，双效消毒减轻了连续内部损伤的扩散。

图7 继发性炎症器官损伤的进展

根据器官损伤生物标志物的血浆浓度讨论相关器官的状态（图8）。由于双效消毒，肝损伤标志物比ST组低∼35%；中性粒细胞迁移（35-45%）在P4和P7急剧减少，表明腹膜干净，没有感染并发症。炎性细胞因子（IL-1β、IL-4、IL-6和IFN-γ）水平降低40%表明t1SG组的整体状态优于ST组。这些全面的生物学研究表明，双效消毒组比ST组预后更有希望。

图8 监测改善的生物标志物分布

通过将治疗效率与最容易获得和最理想的腹膜炎治疗方法——腹膜透析（PD）的治疗效果进行比较，评估t1SG双效消毒的临床潜力。接受透析、双效消毒和抗生素治疗组（n=5）命名为t1SG+AB。在P7观察到PD组的100%死亡率（图9）。相比之下，t1SG+AB组在P12处死前的最后48h表现出60%的恒定存活率。t1SG+AB组腹膜内损伤减轻和皮肤清洁状态表明，双效消毒和抗生素之间的协同作用可以确保严重腹膜炎的有希望的预后。PD、双效消毒和抗生素给药后器官损伤的生物标志物下降到假手术组的水平。表明可以通过双效消毒和抗生素给药的协同作用来预防继发性炎症器官损伤。

图9 基于 t1SG 双效消毒的临床有效方法的开

结论

t1SG 满足了双效消毒的两个要求：稳定的封闭屏障和基于mg 级洗脱的生化活性。即使基材是医用级非生物塑料或哺乳动物提取的生物组织，卓越的胶粘剂性能也不会恶化。此外，t1SG-生物界面上的稳定粘附承受了人工和日常运动的变形应力。基于双效消毒与抗生素给药的协同效应，它在临床领域显示出令人印象深刻的潜力。体内严重炎症性疾病的显著改善使 t1SG 作为下一代有效的生成治疗策略。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmaterialslett.2c00598