自愈合資料是一種智慧高分子材料，通過重構分子結構，使斷裂部位從斷裂形態到完整形態，實現斷裂部位間的相互癒合，在生物醫學中顯示出了巨大的潜力，避免了手術縫合的過程。具有生物相容性和生物可降解性的自愈合彈性體（SHEs）由於其在軟組織中的仿生力學性能和良好的彈性，能够適應體內動態環境，具有巨大的生物醫學應用潜力，如心臟輔助裝置和醫用導管。這類彈性體的開發和在醫學中的應用是科學家們研究的熱點問題。
上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院的趙强教授、葉曉峰主任醫師及東華大學遊正偉教授合作，設計了具有可降解和生物相容性的自愈合彈性體（SHEs），並將其應用於各種疾病的活體內模型，以測試其在多種組織和生理條件下的修復潜力。研究結果以“Self-healing polyurethane-elastomer with mechanical tunability for multiple biomedical applications in vivo“為題發表在《Nature Communications》。
縫合需要長期的訓練，是一項費時、重複的工作，降低了手術的效率。微創手術的快速發展使得在狹窄的手術領域內縫合更為困難。具有獨特效能的自愈資料的出現避免了手術縫合的過程，實現了手術過程中資料的實时成型，大大簡化了手術過程，特別是在內鏡手術、顱內手術等特定情况下，提高手術效率，减少手術對鄰近組織的創傷。然而自愈合資料有限的生物降解性和機械效能阻礙了它們在體內的應用。作者設計了一種基於動態二甲基乙二肟聚氨酯基的新型自主自癒合彈性體（SHEs），肟基聚氨酯鍵起關鍵作用。這些SHEs表現出機械可調性、生物相容性和生物降解性，並在治療某些臨床疾病（如動脈瘤、周圍神經截肢和骨固定術）方面表現出高效率，它們在生理條件下具有良好的自愈合能力（圖1）。
圖1:SHEs的化學結構式、可調節的力學和自愈合效能以及在體內生物醫學應用的模式圖。
SHEs的抗拉强度範圍為33 kPa ~ 4.383 MPa，楊氏模量範圍為172 kPa ~ 3.724 MPa，斷裂伸長率範圍為506% ~ 3295%。在無外界刺激的情况下，將SHEs切片切成兩段，在室溫下重新連接5min，測試自愈合效能。癒合後的SHEs表現出了足够的力學性能，可用於不同的體內實驗場景。為了證明SHEs的彈性，作者進行了應變為20%的迴圈拉伸試驗，隨著交聯度的新增，機械強度的降低量逐漸减少，鬆弛30min後恢復强度逐漸新增。所有的SHEs在含有CE的PBS中表現出可生物降解性，在37℃下，活性為300 U mL-1，9天內全部SHEs的質量損失約7%。在C57BL/6小鼠皮下植入後，交聯的SHEs（0.2-2）在植入後第35天仍保持原來的形狀，掃描電鏡顯示其表面有微孔，這意味著在體內降解。植入後第35天肝腎功能沒有改變確定了SHEs的安全性。
作者通過三種手術疾病模型，包括動脈瘤、神經結合和胸骨固定，展示自愈資料帶來的手術過程變化。作者選擇PPE體外應用建立與人動脈瘤病理變化相似的動脈瘤模型。彈性蛋白降解指數的降低和eNOS表達的新增表明，SHE包裹糾正和改善了動脈瘤的血流動力學。SHEs外包還可以減輕動脈瘤內血管平滑肌細胞的炎症和凋亡，SHE包皮對已建立的主動脈瘤的限制效率是令人滿意的。由於其自愈特性，SHEs可以在手術過程中根據血管的形狀和分支分佈實时塑造成完整的結構。使用SHEs可以避免手術縫合過程，一些外科包裹術，特別是內鏡手術或顱內手術，可以大大簡化，提高手術效率，减少手術對鄰近組織的創傷。在神經接合實驗表明，與縫合接合時間相比，使用SHE進行神經接合所需時間大大縮短3/4，達到快速接合的目的。圖2顯示了使用SHE2固定大鼠胸骨的手術過程。固定後第6周，對大鼠進行x線成像，顯示各組胸骨癒合相關的高密度陰影，皮質骨相對完整。作者也對大體格的猪進行了測試。根據術後即時螺旋x線成像，猪胸骨被SHE固定，骨折邊緣也對齊。
圖5:胸骨彈性體固定模式圖，固定手術管道，胸骨HE和Masson三色染色，猪胸骨脊柱x線想像。
綜上，作者設計了SHEs並將資料的自愈合特性用於活體內實驗。基於獨特的雜化動態肟脲烷共價鍵和氫鍵的SHEs是第一個生物相容和生物降解的SHEs。通過控制交聯程度，可以調整SHEs的力學性能。在體內為不同類型的組織（軟組織和硬組織）應用中，SHEs充分地利用了自愈的特性，解决了一些臨床疾病的關鍵問題。這項研究激發了自愈資料在生物醫學領域的廣泛應用前景，並加速自愈資料在生物醫學領域實現實際的應用。
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https://www.nature.com/articles/s41467-021-24680-x
原文刊載於【高分子科學前沿】公眾號
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