在紧急医学和复杂外科修复中，开发能于极端生理条件下维持结构完整性的强韧且持久的生物胶粘剂，对挽救患者生命至关重要。尽管传统缝线和钉合器械应用广泛，但操作繁琐且易造成二次组织损伤，而双组分液体胶粘剂虽可直接施用于活动性出血部位，前景广阔，然而现有配方在高流速血流和空间受限等挑战性环境中表现不佳。多数仿生系统依赖多重超分子作用增强静态粘接强度，但这些相互作用通常动态且相对微弱；缓慢的多步反应动力学使胶粘剂难以长时间抵抗持续动脉压力，往往无法实现即时持久的粘合，导致封堵失效和继发性出血风险居高不下。
针对上述难题，华东师范大学孙静研究员、田阳教授和清华大学刘凯教授合作提出了一种"拓扑致密化"策略，通过将工程化赖氨酸富含型类弹性蛋白与多功能邻苯二甲醛接枝星型交联剂交联，构建了新型临床蛋白胶粘剂CPA-5。该材料利用赖氨酸伯胺的快速共价键合，形成致密的蛋白拓扑网络，同时将水合胺位点转化为亲水性较低的异吲哚啉加合物，从而降低蛋白水合程度。与传统水凝胶胶粘剂不同，该配方在湿态组织上展现出约252 kPa的超强粘附强度，显著优于众多已报道的组织胶粘剂和临床用密封剂，并在大动物模型中实现了高压动脉出血的无钳夹封堵及硬脑膜安全修复。相关论文以“Topological Densification-Reinforced Robust and Durable Protein Adhesive at Dynamic Interfaces”为题，发表在Angew上。
图1：拓扑致密化CPA-5粘合剂实现强韧持久粘附的理性设计。展示了基因工程K72蛋白序列、三种OPA封端星型交联剂的化学结构、赖氨酸-OPA快速交联反应，以及CPA-5通过交联剂与蛋白和组织胺基反应形成强韧拓扑粘附网络的示意图。
研究团队首先通过基因工程制备了含72个赖氨酸残基的类弹性蛋白K72，并合成高接枝率的OPA功能化星型PEG交联剂（OP5k）。当两者混合时，OPA与赖氨酸伯胺快速形成稳定的异吲哚啉加合物（图2a），使材料在37℃下约4秒内即可凝胶化，远快于低接枝率对照和纤维蛋白胶。冷冻扫描电镜观察证实，随着OP5k浓度从4 wt%提升至6 wt%，CPA-5从开放多孔网络转变为致密低孔隙率形态（图2b），同时化学交联反应将亲水性胺转化为疏水性异吲哚啉，显著抑制了溶胀行为。接触角测量显示交联后表面亲水性明显下降，材料在数小时内达到约10%的稳定溶胀平台，并持续30天无进行性吸水，为高流速血流和受限生理空间的应用奠定了基础。
力学测试表明，CPA-5在湿猪皮上的搭接剪切强度随OP5k浓度增加而提高，在5-6 wt%时达到平台，2分钟内即可建立124±14 kPa的强湿粘附，24小时后进一步提升至252±10 kPa（图2c）。该材料在肝脏、肠道、心脏和胃等多种软组织上均保持稳定粘附，且拉伸强度和压缩强度显著优于低接枝率对照和纤维蛋白胶（图2e）。在200次循环加载-卸载测试中，CPA-5未出现界面适应性损失，断面扫描电镜显示胶粘剂与湿组织间形成连续紧密的接触界面，无明显间隙或分层。离体实验中，CPA-5快速封堵了猪胃和肺约1 cm的切口，完全阻止液体渗漏（图2f）；仅20 μL的CPA-5即可密封1.5 mm缺损，爆破压力高达1402.4±96.4 mmHg，远超正常人动脉收缩压，3 mm缺损时爆破压力仍达473.6±38.2 mmHg。该材料的粘附机制涉及赖氨酸丰富的K72主链为OPA介导的共价桥接提供充足胺基位点，而赖氨酸阳离子、OPA芳香环及组织官能团共同支持静电相互作用、阳离子-π相互作用、芳香π-π堆积及共价组织锚定，协同增强湿组织界面强度（图2g）。综合比较显示，CPA-5在搭接剪切强度和溶胀比两方面优于已报道的组织粘合剂，成功克服了高湿粘附与低溶胀之间的权衡难题（图2d）。
CPA-5还展现出优异的生物降解性和生物相容性。在胶原酶中逐渐降解，溶血、细胞毒性和大鼠皮下植入实验证实其血液相容性和组织相容性。活化部分凝血活酶时间分析表明，该材料并非通过内在激活凝血途径发挥作用，其止血效果主要源于快速的物理封堵。体内实验显示，CPA-5在15天内完全降解，无明显炎症、坏死或水肿。
图2：CPA-5的拓扑网络形成与力学性能。（a）双组分CPA-5体系示意图。富含赖氨酸的类弹性蛋白(VPGGK)与含醛基交联剂快速反应形成原位拓扑凝胶网络。（b）冷冻扫描电镜图像显示增加OP5k浓度使CPA-5从开放多孔网络转变为致密低孔隙率形态。比例尺：2 μm。（c）CPA-5与临床使用或代表性组织粘合剂在固化2分钟和24小时后的搭接剪切粘附强度比较。（d）CPA-5与已报道组织粘合剂的搭接剪切强度和溶胀比比较，突显本工作实现的高湿粘附与低溶胀的有利组合。（e）CPA-5-L、CPA-5和纤维蛋白胶的拉伸和压缩强度，显示CPA-5增强的本体内聚强度。（f）离体封堵猪胃和肺缺损实验，显示CPA-5处理后胃和肺无液体渗漏。比例尺：1 cm。（g）CPA-5在湿组织上的粘附机制。富含赖氨酸的K72主链通过与OP5k的多层共价交联形成拓扑致密网络，而静电相互作用、阳离子-π相互作用、π-π堆积和共价组织锚定共同强化湿组织界面。数据以均值±SD表示(n = 3)。统计学显著性通过单因素方差分析和Tukey多重比较检验确定；***p < 0.001。
在猪肝出血模型中，CPA-5在7.0±0.7秒内实现稳定止血，显著优于纤维蛋白胶的77.7±6.4秒和未处理对照的209.6±13.8秒。在心脏等动态高湿搏动出血组织上也观察到类似快速止血效果。为应对高压力血流下液体胶粘剂定位困难的问题，团队将CPA-5设计为自固定、连续反应性止血贴片平台（图3a），在大鼠腹主动脉穿刺模型中通过60秒轻柔按压实现无钳夹止血，而空白组和纤维蛋白胶组均未能控制出血并导致致命失血（图3b）。在猪股动脉穿刺大动物模型中，CPA-5同样实现无血管钳夹的高压动脉出血快速封堵（图3c），氧合血红蛋白定量进一步证实其止血能力。
在皮肤切口修复评估中，CPA-5在颈背动态和背部静态两种模型中均促进更完整的伤口闭合，疤痕残留显著减少，且在动态模型中仍保持稳定闭合。组织学染色显示，CPA-5处理组创面上皮化更完全，炎症细胞浸润减少，胶原沉积更致密有序。免疫荧光染色证实IL-6和TNF-α表达显著低于缝线、氰基丙烯酸正丁酯和纤维蛋白胶组，表明该材料在闭合高运动解剖部位创面的同时可减轻局部炎症并促进皮肤修复。
图3：CPA-5在无钳夹条件下的体内止血性能。（a）CPA-5在小动物和大动物模型体内止血中的应用概述。（b）大鼠腹主动脉体内止血。CPA-5在60秒轻压后无需钳夹即可快速封堵出血。止血时间定量进一步证实了与空白组和纤维蛋白胶组相比的快速止血效果。比例尺：5 mm。（c）猪股动脉穿刺模型显示60秒按压后有效封堵高压动脉出血，证明在大动物模型中实现无血管钳夹止血。比例尺：1 cm。氧合血红蛋白定量证实了与空白组相比CPA-5的有效止血能力。
在硬脑膜修复应用中，CPA-5凭借高组织顺应性和低溶胀特性，在大鼠（5 mm缺损）和兔（10 mm缺损）硬脑膜缺损模型中均维持稳定密封（图4a）。磁共振成像显示，空白组和纤维蛋白胶组在缺损周围出现脑脊液渗漏和脑水肿，而CPA-5维持稳定密封且无可见溶胀和脑压迫（图4b,d）。术后三周组织学分析证实CPA-5组硬脑膜重建良好，新生胶原束致密有序，与周围天然组织无缝整合，无显著纤维包囊形成，而空白组和纤维蛋白胶组则存在持续性缺损和组织修复受损（图4c,e），有效避免了神经压迫风险。
图4：CPA-5在动物硬脑膜缺损模型中实现有效的硬脑膜密封与修复。（a）大鼠和兔硬脑膜缺损模型及实验时间线示意图。分别在大鼠和新西兰兔中制作直径5 mm和10 mm的圆形硬脑膜缺损，随后用空白对照、纤维蛋白胶或CPA-5处理。分别在第1周和第2周进行MRI检查，第3周进行组织学分析。（b）不同处理后大鼠硬脑膜缺损的代表性磁共振成像图像。空白组和纤维蛋白胶组在缺损周围显示脑脊液渗漏和脑水肿，而CPA-5维持稳定硬脑膜密封且无可见溶胀。比例尺：1 cm。（c）大鼠硬脑膜修复部位的H&E和Masson三色染色，显示空白组和纤维蛋白胶组存在持续性缺损和组织修复受损，而CPA-5促进改善的硬脑膜修复。比例尺：1 mm。（d）兔硬脑膜缺损的代表性MRI图像，显示空白组和纤维蛋白胶组脑脊液渗漏和脑水肿，而CPA-5实现更大硬脑膜缺损的稳定密封且无可见溶胀。比例尺：1 cm。（e）兔硬脑膜修复部位的H&E和Masson三色染色，证实与对照组相比CPA-5治疗后更好的硬脑膜修复。图中显示比例尺。比例尺：2 mm。
综上所述，该工作通过拓扑致密化策略，将湿态胶粘剂设计从单一界面粘接拓展至集成的拓扑网络强化，为在动态和受限生理条件下工作的强韧组织密封剂提供了全新的材料设计原则。CPA-5不仅实现了创纪录的湿粘附强度和快速止血效果，更在无辅助措施下成功应对高压动脉出血和精细硬脑膜修复等极端临床场景，展现了从基础研究向临床转化应用的巨大潜力。
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