一种消化科组织胶的制备及性能试验

2022-11-08刘晶

化学与粘合 2022年6期

刘晶

（武汉市第一医院, 湖北武汉 430030）

引言

目前常用的缝合方式为物理缝合，即采用缝合线或者缝合钉将组织连接在一起，促进伤口的愈合。但这种方式对外科医生的技术有较高的要求，还存在创伤性和外观不适性。特别是针对一些内部消化器官的损伤，缝合线和缝合钉难以自行排出，可能给病人带来二次损伤。因此，对伤口缝合方式进行创新是很有必要的。组织胶缝合是当前一种新兴的缝合方式，利用组织胶将伤口粘合在一起，避免了对伤口的二次创伤。但目前对组织胶的研究还存在很多的盲区，为了寻找性能更完全的组织胶，部分学者进行了很多研究，如吴可可[1]以聚合物基仿生医用胶粘剂为主要研究对象，通过试验证实了聚合物基仿生医用胶粘剂对组织的愈合产生了积极的作用。马晶[2]则在吴可可的研究基础上，研究了镁基骨胶粘剂(MBA)的性能。结果表明，该胶粘剂在特定部位具备良好的粘接性能。以上学者的研究为组织胶的发展提供了一些参考，但是组织胶的发展还存在很多上升空间。基于此，本研究在以上学者的研究基础上，以聚乙二醇（PEG）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、蓖麻油为主要原材料，采用多巴胺封端，制备多巴胺封端聚氨酯组织胶粘剂，为组织胶的发展提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

主要材料：异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI，云佰汇生物科技，AR）；聚乙二醇（PEG，创世化工，AR）；蓖麻油（辉鹏化工，AR）；盐酸多巴胺（百慕达生物科技，AR）；丙酮（银河化工，CP）；三乙胺（普莱华化工，AR）。

主要设备：真空干燥箱（DZF-6020C），玛瑞特科技；电子搅拌机（RWD50E），沪析实业；傅里叶红外变换光谱仪（FTIR-650S），港东科技股份；冷场发射扫描电子显微镜（JSM-7610FPlus），市科时达电子科技；万能材料试验机（ZY-9000），卓亚仪器；超声清洗机（DK-009B），得康洗净电器；荧光分光光度计（N5000），精诚仪器仪表。

1.2 试验方法

1.2.1 溶液的配制

磷酸盐缓冲溶液（PBS 缓冲溶液）：配制pH=7.4的磷酸盐缓冲溶液备用。

牛血清白蛋白缓冲液（BSA 缓冲液）：用PBS 缓冲溶液溶解配制体积浓度为2mg/mL 的BSA 溶液备用。

十二烷基硫酸钠水溶液（SDS 水溶液）：配制1%的十二烷基硫酸钠水溶液备用。

衍生化试剂（OPA 溶液）：将0.1g 邻苯二甲醛溶于2mL 甲醇溶液中，放入200 μL β- 巯基乙醇，然后用0.4 mol/L 硼酸溶液定容至100mL，得到衍生化试剂备用。

1.2.2 多巴胺封端聚氨酯粘合剂制备

（1）选择异氟尔酮二异氰酸酯、蓖麻油和聚乙二醇为主要材料合成医用聚氨酯粘合剂，设计-NCO 和-OH 基团物质的量比为1.5，选择蓖麻油占蓖麻油、聚乙二醇、异佛尔酮二异氰酸酯质量的总和的3%、6%、9%和12%进行试验。

（2）根据配方将蓖麻油和聚乙二醇放入四口烧瓶中，置于DZF-6020C 型真空干燥箱内进行真空除水，除水温度和时间分别为110℃和150min，然后置于室温环境，自然冷却至50℃，得到脱水干燥的多元醇。

（3）在氮气保护作用下，步骤（2）制备的多元醇加热至70℃，然后加入异氟尔酮二异氰酸酯，用RWD50E 型电子搅拌机慢搅6h，并根据反应黏度加入适量丙酮。

（4）将部分液体取出后用二正丁胺- 盐酸滴定法测定-NCO 用量，当-CNO 用量降至设计值以下，则可认为达到反应终点，若间隔一段时间测定-CNO用量值不变，证明完成了预聚体阶段的合成[3]。

（5）继续加入过量盐酸多巴胺的三乙胺溶液，置于恒温环境下反应2h，并根据试样黏度加入适量丙酮。待其自然冷却至室温后，转移至样品瓶中，得到蓖麻油用量不同的多巴胺封端医用组织胶，编号COGlu-CO-3%，COGlu-CO-6%，COGlu-CO-9%和COGlu-CO-12%样品。

1.2.3 聚氨酯胶膜的制备

将制备的组织胶样品置于聚四氟乙烯模具中，转动模具利用组织胶的流动性使其均匀流平，置于室温条件下干燥后，放入真空干燥箱中烘干，烘干温度为60℃，得到聚氨酯胶膜。

1.3 性能表征

1.3.1 红外光谱表征

用FTIR-650S 型傅里叶红外光谱仪在4000～500cm-1扫描范围内测定样品元素种类[4]。

1.3.2 固化速率

采用搅拌测定样品实干时间[5]，具体过程为：将聚合物溶液放入小玻璃瓶中，然后加入一颗搅拌磁子，在300rpm 转速条件下磁力旋转。放入浓度为5mol/L 的氢氧化钠溶液和0.1mol/L 的二正丁胺溶液，记录二丁胺溶液加入时间至磁子停止转动的时间。

1.3.3 吸水溶胀率试验

将样品裁剪成30mm2大小，放入真空干燥箱中烘干，烘干温度为60℃，称取薄膜干重。将烘干后薄膜放入37℃PBS 缓冲液中浸泡，每隔固定时间取出称重，直至样品吸水后质量不再发生改变。

吸水溶胀率表达式为[6]：式中，Ws—干燥样品质量；Wd—吸水后样品质量。

1.3.4 表面形貌分析

将待分析样品置于真空干燥箱内干燥，干燥温度和时间分别为100℃和1d。将样品用导电胶固定后喷金处理，然后在5kV 加速电压的作用下，用JSM-7610FPlus 型冷场发射扫描电子显微镜采集图像，观察胶膜形貌特征[7]。

1.3.5 力学性能测试

参照美国材料与试验协会ASTM F2255-05，ASTM F2458-05 和 ASTM F2392-04 标准，用ZY-9000 型万能材料试验机对样品力学性能进行测试[8-9]。

1.3.6 体外降解试验

将干燥后样品裁剪成2cm×2cm 大小，置于装有鸡蛋清的PBS 缓冲液中，置于37℃条件下恒温放置，7d 后取出样品用去离子水冲洗，置于真空干燥箱干燥2d，计算样品的降解率。

降解率表达式为[10]：

降解率（%）=（Wo-Wd）/Wo×100%

式中，W0、Wd—降解前后样品质量。

1.3.7 蛋白质吸附

将胶膜样品置于PBS 缓冲液中平衡60min，然后置于BSA 缓冲液中，在37℃条件下浸泡180min，然后在150rpm 转速条件下冲洗5min，置于离心管中，放入SDS 水溶液中浸泡60min，然后置于DK-009B 型超声清洗机内超声处理5min。去除胶膜后加入2mLOPA 衍生液和去离子水，避光反应5min，用N5000 型荧光分光光度计测定荧光信号下SDS 溶液的荧光强度，最后进行换算。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱测试结果

图1 为四种样品的红外光谱结果，其中（a）～（d）分别表示蓖麻油用量为12%～3%的胶粘剂。观察图1 可以发现，在所有样品谱图中，皆未发现属于-NCO 的红外吸收峰，证明-NCO 完全被消耗。在1530～1550 cm-1处可以观察到游离和缔合态的-C=O 吸收峰，说明多巴胺已经成功接入IPDI，这也说明成功制备了不同蓖麻油用量的多巴胺封端消化科用组织胶。

图1 四种多巴胺封端消化科用组织胶FTIR 光谱图Fig. 1 The FTIR spectra of four kinds of dopamine terminated medical adhesive for gastroenterology

2.2 固化速率

观察图2 可知，当蓖麻油用量增加至9%时，表干时间逐渐降低至58.5s。继续增加蓖麻油浓度，其表干时间反而有所上升。这可能是因为过量的蓖麻油对邻苯二酚产生包覆作用，使其难以暴露在空气中，降低了其氧化交联速度。同时，随蓖麻油用量的增加，胶凝时间慢慢的下降，这可能是因为反应体系表现为碱性，蓖麻油用量增加后，体系内邻苯二酚数目增加，固化速率随之增加。以上结论表明了可以通过控制蓖麻油浓度控制反应交联速率。组织胶的制备需要满足快速固化的条件和保持相对潮湿的环境，综合考虑，蓖麻油用量为9%的组织胶固化速率最佳。

图2 组织胶表干时间测试结果Fig. 2 The test results of surface drying time of tissue adhesive

2.3 胶膜吸水溶胀率

图3 为胶膜溶胀比对图。通过观察图3 可以发现，随蓖麻油用量的增加，组织胶溶胀率表现出先降低后上升的趋势，蓖麻油用量为9%的样品具备总体上较低的溶胀比。这是因为蓖麻油用量为3%时，体系内存在大量的邻苯二酚，聚合物内部结构较为松散，因此胶膜吸水率较高。随蓖麻油用量的增加，体系内亲水基团减少，交联程度增加，使胶膜吸水率有所降低。同时，随交联程度的增加，多巴胺结构上的羟基也成倍的增加，在两者共同作用下，体系内溶胀率有最低值出现，并不是呈现规律的递减趋势。

图3 胶膜溶胀比对图Fig. 3 The comparison diagram of swelling ratio of adhesive film

2.4 力学性能

图4 为组织胶力学性能测试结果，其中（a）为剪切强度与蓖麻油浓度关系；（b）为伤口粘合强度与蓖麻油浓度关系；（c）为体外破裂强度与蓖麻油浓度关系。观察图4 可知，蓖麻油用量增加，组织胶平均组织胶合强度随之增加，表现出较强的组织粘合强度。但有研究表明，影响组织胶机械强度真正的原因是多巴胺中的邻苯二酚封端数目。体系内蓖麻油用量的增加，交联密度随之增加，原封端基团-NCO 数目增加。多巴胺进入体系后，其分子中-NH2在聚氨酯链段上连接，增加了新封端基团的数目，进而影响组织胶的力学强度。这也证明了多巴胺和蓖麻油用量是影响组织胶机械性能的主要原因。

图4 力学性能测试结果Fig. 4 The results of mechanical property test

2.5 体外生物降解性能

图5 为消化科组织胶胶膜的生物降解曲线。观察图5 可以发现，随蓖麻油用量的增加，样品的降解速度逐渐变得缓慢。其中蓖麻油用量为3%的样品具有较为快速的降解速率，在7 周后，降解逐渐趋于平衡。而蓖麻油用量为6%和12%的消化科组织胶也同样具备相似的生物降解行为。在降解初期，蓖麻油用量为12%的样品失重率最低，后期才开始慢慢的增加，这有利于医用组织胶的应用。在伤口恢复初期，需要一定降解稳定性，给消化科组织预留足够的自修复时间，随恢复进程的进行，组织胶开始降解，减小了对基体的伤害。在所有配方中，蓖麻油用量为9%的组织胶降解率最低，这可能是蓖麻油用量为9%时，其表面疏水性较高引起的。图6 为组织胶降解前后的形貌变化，其中a～d 分别代表蓖麻油用量为3%～12%的组织胶。观察图6 可以发现，降解7 周后，所有样品皆出现粗糙度变大、裂纹和孔洞的现象，该结构可吸收伤口渗出物，富集红细胞与血小板，对凝血功能产生积极作用。同时，该结构对细胞黏附、迁移、营养物质的供给都有好的影响，致密的网络结构使得组织胶表面形貌更加稳定。