《Nature子刊》广医吴可可/张智勇、五邑大学吴盼盼：高强度Janus水凝胶一分钟止血，防术后组织粘连！

在临床实践中，手术缝合线仍然是处理体内损伤最常用的方法。然而，缝合针穿刺不可避免地会造成组织创伤，可能引发出血、吻合口漏、败血症和感染等并发症。更严重的是，伤口缝合过程中的氧化应激和炎症可能导致异常组织增生和术后粘连。接受腹部手术的患者发生术后腹膜粘连的风险极高，这可能导致肠梗阻、器官功能障碍和慢性盆腔疼痛；而接受剖宫产、刮宫术或子宫肌瘤切除术的女性则面临宫腔粘连的高风险，可能导致不孕。尽管组织粘合剂的发展为伤口闭合和组织修复提供了新思路，但大多数粘附性水凝胶由于结构均质性而表现出无差别粘附，导致非预期组织附着或邻近组织间的过度粘连。现有的Janus（双面）水凝胶虽可通过异质结构实现双侧不对称粘附，但其制备过程依赖多步复杂工艺，影响重现性并延长加工时间，且多层复合制备方法会削弱水凝胶的机械强度，限制了其临床转化和规模化生产。

针对这一挑战，广州医科大学吴可可教授、张智勇教授和五邑大学吴盼盼副教授合作开发了一种名为SLAA的一体化高强度Janus水凝胶，通过一步法合成，在5分钟内即可完成凝胶化。该水凝胶具有优异的力学性能和显著的双侧不对称粘附特性：其一面可牢固粘附于湿润组织实现快速止血和伤口封闭，另一面则具有抗粘附性能，能有效防止术后组织粘连。在动物实验中，该水凝胶作为紧急止血贴片，在大鼠和巴马猪的多个器官上实现了快速止血；同时，与缝合线和商业粘合剂相比，它能够强效单侧粘附受损的肠道和子宫内膜组织，促进伤口愈合并减少术后粘连。这种兼具简便制备、高机械强度和有效不对称湿组织粘附的Janus水凝胶，为下一代生物粘合剂提供了切实可行的设计方案。相关论文以“One-pot fabrication of high-strength Janus hydrogel for wet tissue hemostasis and intestinal/intrauterine anti-adhesion”为题，发表在Nature Communications上。

图1. SLAA Janus水凝胶的制备与应用。 a SLAA Janus水凝胶制备示意图。（SL：木质素磺酸钠；LMA：甲基丙烯酸月桂酯；PAM：聚丙烯酰胺；PAA：聚丙烯酸）。b SLAA Janus水凝胶用于抗术后粘连、快速止血和组织再生的示意图。使用BioRender创建。

水凝胶的制备与结构表征

研究人员首先将疏水成分（甲基丙烯酸月桂酯，LMA）和亲水成分（丙烯酰胺AM、丙烯酸AA）在单一容器中混合，加入引发剂进行水凝胶制备。有趣的是，在没有添加木质素磺酸钠（SL）的情况下，水凝胶前体溶液无法形成凝胶；而加入SL并静置5分钟后，迅速形成了具有不对称粘附结构的水凝胶。这表明SL有效稳定了疏水和亲水分子的整合（图2a、2b）。为了系统研究SL对水凝胶理化性质的调控机制，研究人员设计了不同SL质量分数（0.5、1.0、2.0和3.0 wt%）的水凝胶。明场图像显示，与平坦的底面相比，水凝胶的顶面呈现出密集互连的多孔网络结构，且随着SL含量增加，孔结构变得更加规则有序。扫描电镜（SEM）和三维成像观察进一步证实，S3.0LAA（3.0 wt% SL）的顶面呈现明显的多孔网状结构，而底面保持光滑平坦（图2c）。SEM-EDS元素分布图显示，SL的特征元素“S”在S3.0LAA顶面的丰度显著高于底面，表明SL富集在水凝胶的顶面。

X射线光电子能谱（XPS）分析显示，S3.0LAA底面的COOH、C=O和C-O信号强度显著增强，而顶面几乎检测不到这些基团（图2d）。表面接触角（SCA）测试表明，随着SL含量增加，水凝胶顶面的接触角从76.1°逐渐增加到100.5°，而底面的接触角从71.2°降低到48.8°（图2e），说明更高的SL含量增强了顶面的疏水性和底面的亲水性。

为了验证SL驱动羧基定向富集的假说，研究人员进行了密度泛函理论（DFT）计算，分析AM、AA和SL之间的静电相互作用。分子结合能计算结果显示，AM/AA对（-17.20 Kcal/mol）和AM/SL对（-17.74 Kcal/mol）的结合能低于AA/SL对（-15.68 Kcal/mol），表明在相同环境条件下，SL与AM的相互作用倾向强于与AA的相互作用。氢键相互作用分析显示，AA/SL中的平均键长（2.27 Å）长于AM/SL（2.17 Å）和AM/AA（1.75 Å）（图2f-2k）。这些结果表明，随着SL含量增加，分子间相互作用驱动AM分子向富SL区域（顶面）迁移，而AA分子主要向相反方向（底面）迁移，导致羧基在 hydrogel 底面快速积累。

图2. SLAA Janus水凝胶的表征。 a 木质素磺酸钠（SL）整合疏水组分（LMA）和亲水组分（AA、AM）的示意图。b 水凝胶形成过程的照片。c S0.5LAA和S3.0LAA水凝胶的SEM和3D轮廓图像（所有实验均进行三次重复，结果相似，比例尺：100 μm）。d S0.5LAA和S3.0LAA Janus水凝胶顶面/底面C1s区域的XPS分峰拟合谱图。e SLAA Janus水凝胶的SCA测试。f-h 丙烯酰胺、丙烯酸和木质素磺酸钠之间的静电势（ESP），以及（i-k）它们静电相互作用的模拟计算（Eb：结合能）。

不对称粘附性能

SLAA Janus水凝胶表现出明显的双侧不对称粘附特性。它可以牢固粘附在各种湿润组织（脾、肾、肺、心脏和肝脏）以及不同基底材料（金属、塑料、橡胶、玻璃和木材）上，并能提起超过800克的物体（图3a）。搭接剪切和180°剥离测试结果显示，随着SL含量增加，剪切应力从201.33 kPa（S0.5LAA）增加到308.33 kPa（S3.0LAA），界面韧性从251.33 J/m²增加到417.46 J/m²（图3b-3e）。

在一系列离体猪器官实验中，SLAA Janus水凝胶牢固粘附在受损猪器官表面，封堵后能有效抵抗空气或水的注射压力（图3f、3g）。SEM观察显示水凝胶与器官之间形成了均匀粘附的界面（图3h）。水凝胶粘附在猪心上后在300 kPa高水压下仍保持原状（图3i），粘附在猪皮上后能在水中承载2.5公斤重量（图3j）。爆破压力测试表明，SLAA Janus水凝胶的最大爆破压力约为286.33 mmHg，这一数值显著高于常见商业生物粘合剂的记录值和典型的最大腹压（150 mmHg）（图3k、3l）。

图3. SLAA Janus水凝胶的不对称粘附表徵。 a SLAA Janus水凝胶Janus特性展示。b SLAA Janus水凝胶拉伸测试示意图。c SLAA Janus水凝胶搭接剪切的定量数据。d SLAA Janus水凝胶180°剥离测试示意图。e SLAA Janus水凝胶180°剥离测试的定量数据。f、g 通过SLAA Janus水凝胶密封撕裂的猪心、猪食管、猪肠和猪胃的示意图。h SLAA与猪器官之间粘附界面的SEM图像（所有实验均进行三次重复，结果相似，比例尺：300 μm）。i 水枪冲洗SLAA粘附猪心的粘结界面的照片。j SLAA Janus水凝胶粘附的猪皮可承受2.5 kg重量的照片。k 爆破压力装置示意图。l SLAA Janus水凝胶与部分商业生物粘合剂的爆破压力比较。m SLAA Janus水凝胶与湿组织之间形成的界面排水和可能的非共价相互作用示意图。

力学性能与溶胀行为

SLAA Janus水凝胶表现出优异的力学性能。其惊人的伸长率超过1100%，拉伸后能有效恢复原状；同时具有高强度耐久性，能承受超过250克的压力，并能抵抗尖锐物体的损伤（附图7）。定量测试显示，随着SL含量增加，拉伸强度从0.79 MPa（S0.5LAA）降低到0.50 MPa（S3.0LAA），断裂伸长率从648%增加到1024%（图4a-4c）；压缩应力同样呈下降趋势，从2.55 MPa降低到1.02 MPa（图4d-4f）。尽管S3.0LAA的力学性能低于S0.5LAA，但与其他报道的水凝胶生物粘合剂相比仍表现出良好的韧性。连续的循环拉伸和压缩测试表明，SLAA Janus水凝胶在重复机械加载下具有良好的回弹性和恢复能力（图4g-4j）。

在溶胀行为方面，水凝胶在PBS中浸泡168小时后保持原始尺寸，没有明显膨胀。S0.5LAA、S1.0LAA、S2.0LAA和S3.0LAA的平衡溶胀率分别为19.06±0.64%、20.12±0.85%、22.08±0.32%和23.86±0.87%（图4k、4l）。这些低溶胀率表明水凝胶具有良好的抗溶胀性能，能有效保持其宏观形态和结构完整性。雷达图综合分析显示，增加SL含量会适度增加水凝胶的溶胀率和拉伸应变，同时降低底面接触角、压缩应力和拉伸应力（图4m）。与其他已报道的Janus水凝胶相比，SLAA Janus水凝胶在凝胶化时间（5分钟）和拉伸断裂应力方面表现出显著优势（图4n）。

图4. SLAA Janus水凝胶的力学和溶胀表征。 a SLAA Janus水凝胶拉伸测试示意图。b SLAA Janus水凝胶的拉伸应力-应变曲线和（c）定量数据。d SLAA Janus水凝胶压缩测试示意图。e SLAA Janus水凝胶的压缩应力-应变曲线和（f）相应定量数据。g 水凝胶的连续递增拉伸应力-应变曲线。h SLAA Janus水凝胶的循环拉伸测试。i SLAA Janus水凝胶的连续递增压缩应力-应变曲线。j 不同应变下SLAA Janus水凝胶的循环压缩测试。k S0.5LAA和S3.0LAA水凝胶的溶胀行为图像。l SLAA Janus水凝胶的溶胀率随时间变化曲线。m S0.5LAA、S1.0LAA、S2.0LAA和S3.0LAA水凝胶在不同方面的比较。n SLAA与已报道粘附性水凝胶在凝胶时间和拉伸应力方面的综合比较（NT：未测试）。o 木质素磺酸钠驱动形成不对称粘附SLAA Janus水凝胶的示意图。

体外抗粘附与生物相容性

研究人员使用L929成纤维细胞（与术后粘连相关的细胞系）评估了SLAA Janus水凝胶的体外抗粘附性能。将L929细胞接种在水凝胶的上表面和下表面，培养24小时后，与粘附性底面相比，S0.5LAA和S3.0LAA光滑顶面上的细胞粘附均显著减少，证明了其体外有效的抗粘附性能（图5a、5b）。

通过CCK-8 assay和活/死细胞染色评估细胞相容性。当SL的质量体积分数在0%到2.0%范围内时，L929和RAW264.7细胞的存活率与空白对照组相当；当质量体积分数提高到3.0%时，细胞存活率出现轻微下降。共聚焦图像显示，用水凝胶浸提液处理的L929细胞表现出与对照组相似的增殖趋势和形态特征（图5c）。水凝胶的溶血率低于5%，符合医用材料的国际标准。

体内生物相容性通过在小鼠背部皮下植入S3.0LAA水凝胶进行评估。主要器官的组织病理学分析未发现明显的炎症病变或损伤。术后21天内伤口完全愈合，未出现感染临床征象，植入部位被健康的鲜红色组织覆盖，未见炎症浸润、坏死或化脓（图5d-5f）。血液分析显示，健康小鼠与植入水凝胶的小鼠白细胞计数相当，表明未出现全身性炎症反应（图5g）。水凝胶在植入过程中发生部分降解，降解率约为40%（图5h）。

图5. SLAA Janus水凝胶的生物相容性和生物降解表徵。 a 细胞抗粘附实验示意图。b L929细胞在水凝胶顶面和底面的代表性F-actin和DAPI染色图像（所有实验均进行三次重复，结果相似，比例尺：50 μm）。c 不同处理下的代表性罗丹明和DAPI染色图像（所有实验均进行三次重复，结果相似，比例尺：50 μm）。d 体内皮下植入实验示意图。e 植入水凝胶后第0、7、14和21天小鼠的照片（比例尺：5 mm）。f 皮下植入水凝胶的照片。g 对照组和S3.0LAA水凝胶组的血液分析。h 植入的SLAA Janus水凝胶在不同天数的剩余重量。

体内止血性能

研究人员首先在大鼠肝脏出血模型中评估了SLAA的止血效果。与阴性对照组（空白组）和阳性对照组（纱布组、Vetbond™组）相比，S3.0LAA组肝脏出血量显著减少（图6a、6b）。S3.0LAA组的失血量约为35 mg，凝血时间约为16秒，均显著低于空白组（约509 mg，约194秒）、纱布组（约426 mg，约175秒）和Vetbond™组（约171 mg，约75秒）（图6d、6e）。组织学评估显示，S3.0LAA组在治疗后第3天和第7天的炎症反应相对较轻，组织纤维化较少（图6c）。

为进一步评估SLAA Janus水凝胶在大型动物中的止血和密封能力，研究人员在巴马小型猪上建立了心脏、肝脏、脾脏、肺和胃损伤的体内模型。当手术刀片刺穿跳动的心脏时，大量血液迅速流出；立即施用SLAA Janus水凝胶并按压约10秒后，水凝胶与心脏组织之间形成了牢固且贴合的粘附，有效阻止了失血，这种稳定粘附即使在镊子拉伸和心跳机械应力下仍能保持（图6g）。同样，在肺、肝、脾和胃上制作的10 mm宽的切口出血部位，水凝胶迅速建立强效即时粘附，能承受外部机械力（图6h-6k）。

图6. SLAA Janus水凝胶的止血能力表徵。 a 大鼠肝脏止血示意图。b 使用纱布、Vetbond™和SLAA Janus水凝胶进行肝脏止血的照片（比例尺：1 cm）。c 分别使用纱布、Vetbond和SLAA Janus水凝胶愈合3天后肝脏组织的代表性H&E和Masson染色（比例尺：100 μm）。d 不同处理下的失血量和（e）止血时间。f SLAA Janus水凝胶处理猪心脏、肺、肝脏、胃和脾脏损伤模型的示意图。g-k 使用S3.0LAA水凝胶在猪心脏、肺、肝脏、胃损伤模型中止血的照片（比例尺：2 cm）。

体内肠道损伤封闭与组织抗粘连

在大鼠肠道损伤模型中，研究人员评估了SLAA Janus水凝胶预防术后腹腔粘连的效果。在肠道侧壁制作5 mm切口建立模型后，第14天观察到模型组、缝合组和Vetbond™组的腹壁与伤口之间存在不同程度和严重程度的腹腔粘连，而SLAA Janus水凝胶组几乎未见粘连组织形成，其结果与假手术组相当（图7b）。粘连评分显示，模型组平均评分为4.0（严重粘连），缝合组为3.2，Vetbond™组为2.4，而S3.0LAA组仅为0.6（图7e）。

H&E染色显示，模型组、缝合组和Vetbond™组在术后14天肠道表面存在大量粘连组织形成和炎症细胞浸润；而S3.0LAA组损伤部位的粘连组织显著减少。Masson染色显示模型组、缝合组和Vetbond™组存在胶原沉积，表明大量成纤维细胞粘附；而S3.0LAA组的胶原结构与正常组相当（图7c）。

免疫荧光染色分析显示，S3.0LAA组TNF-α的表达为40.33±3.68%，分别是损伤组、缝合组和Vetbond™组的0.40、0.45和0.63倍；TGF-β1的表达为34.33±4.78%，分别是损伤组、缝合组和Vetbond™组的0.34、0.38和0.50倍（图7d、7f、7g）。这些结果表明SLAA Janus水凝胶有效减轻了伤口炎症和纤维化，防止了术后粘连的发生。实验结束后，S3.0LAA的SEM图像显示顶面仍保持多孔疏水结构，底面保持亲水，接触角分别为100.3°和55.7°，表明Janus水凝胶的疏水层在应用过程中未被破坏。

图7. 体内肠道损伤修复。 a 大鼠肠道损伤模型示意图。b 不同处理下腹腔粘连的照片（比例尺：2 cm）。c 治疗后14天肠道和腹壁的代表性H&E和Masson染色（比例尺：100 μm）。d 术后14天TGF-β1和TNF-α的免疫荧光染色照片及（f、g）相应定量分析（比例尺：100 μm）。e 治疗后14天的粘连评分。

体内子宫内膜损伤修复

研究人员建立了大鼠子宫内膜损伤模型，模拟剖宫产、刮宫术或子宫肌瘤切除术对子宫的损伤（图8a）。与假手术组相比，模型组、缝合组和Vetbond™组在治疗期间双侧子宫损伤部位表现出不同程度的粘连；而S3.0LAA组粘连显著减少，表明水凝胶有效保护了受损的子宫组织（图8b）。H&E染色显示，模型组、缝合组和Vetbond™组的子宫伤口未能完全闭合或因组织粘连出现表面凹陷；S3.0LAA水凝胶治疗后，子宫形态正常，与假手术组相当（图8c）。定量分析显示，S3.0LAA组的子宫内膜厚度为653.16±41.78 μm，分别是模型组、缝合组和Vetbond™组的1.89、1.65和1.24倍，与假手术组（717.26±54.03 μm）相近（图8d）。Masson染色显示S3.0LAA组纤维化面积较模型组显著减少（图8e）。

增殖标志物PCNA的免疫组化染色显示，S3.0LAA水凝胶组的PCNA表达水平（71.33±5.31%）低于模型组、缝合组和Vetbond™组，表明伤口愈合进程更早，水凝胶在促进组织修复中发挥了积极作用（图8f）。免疫荧光染色分析显示，S3.0LAA组TNF-α的表达为35.67±4.50%，分别是模型组、缝合组和Vetbond™组的64%、59%和46%；TGF-β1的表达为37.67±6.02%，分别是模型组、缝合组和Vetbond™组的62%、51%和44%（图8g-8i）。α-SMA和CD31表达的增加反映了再生子宫内膜组织周围血管密度更高。这些发现共同证明，SLAA Janus水凝胶通过抑制组织粘连有效减少子宫内膜纤维化和炎症，促进子宫内膜细胞增殖和血管生成，从而加速子宫内膜损伤的修复。

图8. 体内子宫内膜损伤修复。 a 大鼠子宫内膜损伤模型示意图。b 不同处理下第0、7和14天大鼠子宫的照片（比例尺：500 μm）。c 治疗后14天子宫的代表性H&E、Masson和免疫组化PCNA染色图像（比例尺：500 μm）。（d）子宫内膜厚度、（e）胶原密度和（f）治疗后组织PCNA相对表达水平的定量分析。g 治疗后14天子宫的代表性TNF-α、TGF-β1、CD31和α-SMA免疫荧光染色图像（比例尺：100或50 μm）。（h）TNF-α和（i）TGF-β相对表达水平的定量分析。

总结与展望

本研究创新性地利用木质素磺酸钠诱导羧基异质聚集，构建了一种高性能Janus水凝胶。该水凝胶的凝胶化过程简单快速，仅需5分钟即可完成，相比大多数已报道的Janus水凝胶（涉及仿生结构设计、单侧离子封端和多层复合等复杂多步制备工艺）具有显著优势。作为一种成本低廉、环保、高分散性和稳定性的阴离子表面活性剂，SL被创新性地用于Janus水凝胶的制备，作为诱导羧基异质聚集的关键组分，为具有临床转化和规模化生产潜力的Janus水凝胶设计开辟了新途径。

作为一种即用型生物贴片，SLAA Janus水凝胶在SD大鼠和巴马猪的心、肝、脾、肺和胃损伤中实现了即时密封和止血。在大鼠肠道和子宫内膜损伤模型中，它克服了缝合线的关键局限性——操作复杂、二次出血和医源性损伤——同时加速伤口愈合并显著减少术后粘连。鉴于其简便的一步制备工艺、高机械强度和显著的不对称湿组织粘附性能，SLAA Janus水凝胶为下一代生物粘合剂提供了可行且实用的设计思路，展示了其作为内伤口修复缝合线替代品的巨大潜力。

来源：高分子科学前沿