在外科手术和组织修复领域，全球每年超3亿例手术都面临组织连接、伤口密封和器械固定的问题。传统的缝合和钉合技术不仅操作复杂，还会对组织造成较大损伤。组织粘合剂作为替代方案虽具优势，但现有胶水和水凝胶类粘合剂存在明显局限，其形状和性能制造自由度低，难以满足定制化、特定应用的需求，限制了其在复杂医疗场景中的使用。  
       在此背景下，来自麻省理工学院赵选贺和Hyunwoo Yuk教授团队展开合作研究。他们开发出一种直接墨水书写的3D可打印组织粘合剂，通过设计由PAA - NHS酯和PU构成的聚合物网络，使其能制成适用于3D打印的粘弹性墨水。这种粘合剂可快速与湿组织牢固粘附，生物相容性良好，还能通过调整打印参数改变机械性能。团队利用该粘合剂打印出多种功能性贴片和装置，在大鼠体内实验中，成功修复了气管和结肠的缺损，还设计出可抗血液干扰的液体注入式贴片。此外，他们还探索了其在生物电子和药物递送领域的应用潜力。相关工作以“A 3D printable tissue adhesive”为题发表在《Nature Communications》上，为组织修复和器械制造提供了新的有效解决方案。
 

1. 3D可打印组织粘合剂的制备与粘附原理示意图，通过化学合成、3D打印实验以及理论分析，研究3D可打印组织粘合剂的制备过程、微观结构和粘附机制。结果表明，成功合成了由PAA - NHS酯和PU组成的聚合物网络，该材料可制成墨水用于3D打印，打印的粘合剂能通过水合和毛细管作用迅速与组织表面形成分子间和共价键，实现快速且牢固的粘附。
 

2. 3D可打印组织粘合剂的合成与材料表征，运用FTIR光谱、1H NMR光谱、流变仪等手段，研究组织粘合剂的合成过程、化学结构、成分比例以及流变特性。结果显示，通过光引发聚合成功制备出PU - PAA - NHS，FTIR和1H NMR分析证实了各成分的存在和比例；确定了适宜3D打印的墨水浓度范围，在此范围内墨水具有良好的打印性能，如合适的粘度和剪切变稀行为。
 

3. 3D可打印组织粘合剂的粘附性能与机械可调性，采用标准T - peel测试、lap shear测试、burst pressure测试以及单轴拉伸实验等方法，研究3D可打印组织粘合剂的粘附性能和机械性能的可调性。结果表明，该粘合剂与湿猪皮粘附时，界面韧性大于300 J/m² ，剪切强度大于75 kPa，能实现流体密封；通过改变打印结构的几何参数，可调节其机械性能，如生成类似组织的J形应力 - 应变响应，展现出良好的机械可调性。
 

4. 大鼠模型体内生物相容性与缺损修复，通过体内植入实验、组织学分析以及Micro - CT成像等技术，研究3D可打印组织粘合剂在大鼠体内的生物相容性以及对气管和结肠缺损的修复效果。结果显示，该粘合剂在大鼠皮下植入后炎症反应轻微，且逐渐降解；在气管和结肠缺损修复实验中，打印的贴片能有效密封缺损，4周后组织修复良好，无明显渗漏和炎症，表明其生物相容性良好且修复效果显著。
 

5. 用于抗血液粘附的液体注入式3D打印贴片，借助理论分析、体外实验和体内实验，研究液体注入式3D打印贴片在血液存在下的粘附性能和止血效果。结果表明，该贴片利用疏水性液体和多孔结构，能有效排斥血液，在较低压力下实现与组织的紧密粘附；在大鼠肝脏和股动脉出血模型实验中，可在10秒内实现止血密封，展现出良好的抗血液粘附和止血能力。
 

6. 3D可打印组织粘合剂平台的潜在应用，通过设计并制备生物电子贴片和药物递送贴片，进行体外实验观察，研究3D可打印组织粘合剂在生物电子和药物递送领域的应用潜力。结果显示，生物电子贴片能使LED在猪心脏动态运动时保持点亮，证明其可实现稳定的电极 - 组织接触；药物递送贴片能实现药物的精确空间图案化释放和可控释放，为局部药物递送提供了新途径。
 

研究结论
本研究开发的3D可打印组织粘合剂为组织修复和器械制造技术带来了新机遇。体外、体内和临床前研究表明，该材料具有出色的伤口密封能力、良好的生物相容性，在抗血液粘附、生物电子和药物递送等领域展现出广阔的应用潜力。其独特的材料设计为制备适用于3D打印或其他制造方法的即用型组织粘合剂提供了可扩展的策略。然而，要全面评估3D打印贴片和装置的临床疗效，明确调整各种特性（如应力 - 应变行为）对粘附行为和生物反应的影响，还需开展更全面的生物学研究。展望未来，本研究提出的多功能平台有望拓展可调节、适用于特定应用的组织粘合剂结构的设计空间，推动相关技术进一步发展。

文章来源：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45147-9

(责任编辑：admin)

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