一种基于壳聚糖的激光激活薄膜外科粘合剂“SurgiLux”：制备与应用演示

摘要

介绍了一种由美国食品药品监督管理局（FDA）批准的成分——壳聚糖和吲哚菁绿——制成的新型柔性薄膜外科粘合剂的制备方法。通过低功率红外激光进行简单激活，实现了该粘合剂与胶原组织的牢固结合。

摘要

缝线是一种已有4000年历史的技术，因其修复强度（约100 KPa）而仍然是伤口闭合的“金标准”。然而，缝线可能成为感染的诱因，并且在许多手术中无法有效促进伤口修复，或会干扰功能性组织再生。¹ 作为缝线的替代方案，已开发出外科胶水和粘合剂，例如基于纤维蛋白和氰基丙烯酸酯的粘合剂，用于此类伤口的修复。然而，目前市售的粘合剂也存在显著缺点：纤维蛋白胶可能存在病毒和朊病毒传播风险，且修复强度不足；而氰基丙烯酸酯类粘合剂则存在组织毒性及生物相容性差的问题。此外，目前可用的外科粘合剂多为凝胶基质，固化时间较长，限制了其应用范围。² 同样，使用紫外激光促进基于蛋白质或白蛋白“焊料”的交联机制可能导致DNA损伤，而激光组织焊接（LTW）则易引起组织热损伤。³ 尽管存在这些缺点，粘合剂和LTW技术已占据约30%的伤口闭合市场份额，该市场年报告价值超过50亿美元，这充分表明了无缝线技术的迫切需求。⁴

在追求无缝合技术的过程中，我们利用壳聚糖作为生物材料，开发出一种柔韧、超薄的薄膜状激光激活外科粘合剂，称为“SurgiLux”。这种新型生物粘合剂采用了经美国食品药品监督管理局（FDA）批准并已成功应用于多种生物医学领域及产品的独特生物材料与光子学组合。SurgiLux 克服了传统缝合线及现有外科粘合剂的所有缺点（见表1）。

在本报告中，我们介绍一种相对简单的 SurgiLux 制备方案，并展示其激光激活过程及组织焊接强度。SurgiLux 薄膜可在无需化学交联等修饰的情况下粘附于胶原组织，通过使用功率较低（120 mW）的红外激光而非紫外光进行照射实现粘接。壳聚糖薄膜本身对胶原具有天然但较弱的粘附力（约 3 kPa），而基于壳聚糖的 SurgiLux 薄膜经激光激活后，可因聚合物链间的相互作用及瞬时热膨胀效应显著增强粘附强度。⁵ 若不进行此“激活”过程，SurgiLux 薄膜可被轻易移除。^6-9 SurgiLux 已经过了测试 体外 和 体内 在多种组织（包括神经、肠道、硬脑膜和角膜）上均表现出良好的生物相容性，且由于辐照引起的热损伤可忽略不计。^6-10

方案

1. SurgiLux 溶液的制备

1. 在洁净的玻璃烧杯中，使用去离子水配制2% (v/v)的乙酸溶液；操作时使用层流罩以避免污染。
2. 在无菌离心管中称取0.02% (w/v)的发色团吲哚菁绿（indocyanine green, ICG）；确保离心管用锡箔纸包裹，以防光线透入。
3. 使用洁净的一次性移液器，将约1 ml稀释的乙酸溶液转移至离心管中以溶解染料，轻轻振荡并继续保持锡箔纸包裹。
4. 将溶解后的ICG转移至烧杯中，加入2% (w/v)的壳聚糖粉末，随后放入无菌磁力搅拌子。
5. 用封口膜覆盖烧杯，再用锡箔纸包裹，然后在层流罩中于室温下以约125 rpm转速搅拌72小时。
6. 将混合物转移至洁净的离心管中，在4 °C条件下以15,000 × g离心15分钟，以去除任何不溶性颗粒。
7. 小心地将绿色的SurgiLux溶液转移至洁净的玻璃烧杯中，用封口膜封口后包裹锡箔纸，随后在冰箱中储存12小时，以增加溶液的黏度。

2. SurgiLux 薄膜的制备

1. 使用无菌注射器，将 8 ml 冷的 SurgiLux 溶液加入洁净的 95 mm 直径培养皿中，并轻轻倾斜培养皿，确保溶液完全覆盖表面。通过调节溶液体积与成膜面积的比例，可控制薄膜厚度，参见图 1。
2. 使用无菌针头的尖端去除溶液中可见的气泡。用锡箔纸覆盖培养皿，并置于冰箱中，以消除任何残留的微米级气泡。
3. 20 分钟后，小心地将培养皿从冰箱中取出，放入超净工作台中，用锡箔纸覆盖，并让溶液蒸发 3 周。
4. 待溶液完全蒸发后，在培养皿中沿透明绿色 SurgiLux 薄膜的外缘划痕，并轻轻将其从培养皿表面剥离。
5. SurgiLux 薄膜应具有柔韧性，可轻易操作而不会撕裂或断裂。
6. 将圆形 SurgiLux 薄膜保存在培养皿中，用锡箔纸包裹，并置于干燥条件下，直至使用。

3. 激光激活 SurgiLux 粘合膜

1. 为了演示激光激活过程，我们将使用一块牛肉组织（如牛排），将其切割成15 mm宽、20 mm长的尺寸。使用10号外科手术刀沿直线切开组织，得到两块大小均为15 mm × 10 mm的组织片。
2. 将两块组织片对合，使其边缘相接但不重叠，并使用棉签或纱布轻轻吸去任何多余的液体。
3. 接着，裁剪一片7 mm × 9 mm的SurgiLux膜，小心地将其沿长度方向覆盖在被切开的组织上，然后用干燥的棉签轻轻按压。
4. SurgiLux膜使用输出功率为120 mW的红外二极管激光器进行激活。由于该激光器属于III B类激光设备，应采取适当的安全措施，包括所有人员佩戴合适的激光防护眼镜。
5. 从一角开始，使用设定为120 mW、光斑直径为1 mm的红外激光照射SurgiLux膜，以大约每秒1 mm的速度将光斑扫过绿色薄膜表面。重复此照射过程共三次。

4. 修复强度

1. 将组织两端小心固定在拉伸测试仪的夹具中。我们使用的是配备50牛顿载荷传感器的Instron Mini55系统。最大载荷、抗拉强度和断裂伸长率通过Bluehill计算机软件（USA）计算得出。至少10个样本的均值被确定（n = 10）。
2. 消除“松弛”后，以每秒1毫米的速度分离组织片，直至由SurgiLux条带连接的两片组织完全分开。

结果

离心后得到透明的绿色溶液，在4-6 °C下储存后黏度增加。静置3周后，该绿色溶液转化为一层约20微米厚的透明绿色SurgiLux薄膜，如视频所示，具有良好的柔韧性。

用激光照射后，SurgiLux 薄膜会与组织结合。在薄膜边缘处可以观察到这一现象，当激光束扫过薄膜时，组织呈现收缩状态（图2）。不应观察到组织或薄膜的炭化或消融现象。SurgiLux 与组织的结合强度应足以提起被切开的组织片；在本实验报告中测得的抗拉强度应约为 15 KPa。

表 1. 提出的 SurgiLux 系统与市售纤维蛋白及...

讨论

壳聚糖可具有多种分子量和不同脱乙酰度（DDA）。壳聚糖纯度的差异可能导致SurgiLux溶液中出现颗粒物；通过离心可去除这些颗粒，从而得到透明的绿色溶液。然而，过滤也可作为额外或替代的制备步骤使用。与任何材料加工过程一样，壳聚糖的脱乙酰度和分子量等参数的变化会影响所制备SurgiLux薄膜的理化性质、生物学特性及材料性能，包括其与组织结合的强度。

SurgiLux 的制备工艺具有较大的可调性。例如，通过改变溶液体积与铸膜表面积的比例（ml:mm²），可调节薄膜的厚度。图5显示，随着倒入培养皿中溶液体积的增加，最终 SurgiLux 薄膜的厚度呈线性增长。同样，通过改变铸膜表面的性质，也可调控薄膜的表面形貌。图6展示了 SurgiLux 薄膜表面存在微米级的“乳突”结构。此类模板技术可用于构建多种表面结构，以增强组织黏附性、防止微生物细胞附着并促进组织再整合。¹¹ 此外，可在制备过程中掺入多种生物活性物质，从而制得用于局部药物递送的黏附性薄膜。¹⁰

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
壳聚糖	Sigma-Aldrich	448877
吲哚菁绿	Sigma-Aldrich	I2633	又称心脏绿（Cardiogreen）
乙酸	Sigma-Aldrich	320099
带光纤传输的红外二极管激光器（808 nm，120 mW，光束芯径 200 μm）	CNI Lasers	Fc-808	可变系统，最大功率可达 5 W
激光防护眼镜	CNI Lasers	LS-G
拉伸测试仪	Instron Pty Ltd	5542	50 N 负载传感器