摘要：每年全球约有1400万人接受腹部手术，这些手术在挽救生命的同时也存在风险，其中吻合口瘘是腹部手术后最可怕的并发症之一，目前临床上对于胃肠道吻合口瘘的早期检测仍然具有挑战性。

每年全球约有1400万人接受腹部手术，这些手术在挽救生命的同时也存在风险，其中吻合口瘘是腹部手术后最可怕的并发症之一，目前临床上对于胃肠道吻合口瘘的早期检测仍然具有挑战性。

来自苏黎世联邦理工学院机械与工艺工程系纳米粒子系统工程实验室的Alexandre H C Anthis, Maria Paulene Abundo, Anna L Neuer等多名研究人员发表了题为《Modular stimuli-responsive hydrogel sealants for early gastrointestinal leak detection and containment》的研究成果。

在该文章中，研究人员使用了的N-acryloyl glycinamide（AbMole，M9665）。

文章介绍了一种新型的胃肠道渗漏检测水凝胶密封剂，该密封剂具有模块化设计，能够整合治疗和监测元素，通过实验验证了其在组织粘附、渗漏检测和密封等方面的性能。

1. 胃肠道吻合口瘘贴片的设计与制备

贴片组成与结构：该贴片由不粘背衬（PNHEA）、粘性缝合支撑层（PAMPS）和传感元件组成，通过相互贯穿的网络（mIPN）技术附着在组织上，能够检测和遏制渗漏。其中，传感元件包括酶响应性可消化的充气蛋白结构（如来自盐生盐杆菌的气泡囊）和 pH 响应性的碳酸氢钠，分别用于 TurnOFF 和 TurnON 传感。

mIPN 的作用：mIPN 由 33wt% 的 N - 丙烯酰甘氨酰胺（NAGA）和可见光引发剂组成，在贴片应用于组织后，锚定单体溶液中的成分会形成 mIPN，将水凝胶贴片和组织连接在一起，确保贴片在组织上的长期牢固粘附和避免渗漏。

2. 组织粘附性能测试

粘附能量测量：使用 T - 剥离装置测量附着贴片的粘附能量，结果表明该贴片在结肠和胃组织上的粘附能量更高，且从非粘性侧表现出最小的粘附性能，说明该密封剂技术适用于解决腹腔内多个组织的渗漏问题，且对相邻组织的相互作用最小。

拉伸性能测试：对开发的分层水凝胶系统进行拉伸测试，结果表明 PAMPS 支撑层具有高延展性和柔软性，与 PNHEA 背衬结合后，在使用 PNAGA mIPN 附着贴片后，拉伸强度得到显著增强，且在各种消化液中孵育 24 小时后仍能保持较高的拉伸强度，说明 mIPN 在浅表组织层中起到了强大的锚定作用。

mIPN 的表征：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱显微镜对 mIPN 进行表征，结果表明 PNAGA 网络贯穿了 PAMPS 支撑层，并延伸到组织中，证明了 mIPN 的互穿和桥接特性，以及网络 - 组织穿透深度与先前描述的粘附能量之间的良好相关性。

3. 贴片层协同作用及在胃肠道流体中的性能

贴片层的缺陷观察：使用扫描电子显微镜（SEM）对密封剂贴片横截面进行观察，结果表明各层和不同隔室之间无缝连接，没有可见的空隙、裂纹或其他弱点。

协同行为测试：通过使用 1g 贴片保护 4mm 孔免受 7g 模拟肠道流体泄漏的实验，展示了 PAMPS 层的动态行为，即吸收肠道流体并形成高度多孔的支撑接触层，而背衬保持光滑和不变的结构，起到非粘性密封剂的作用。

膨胀性能测试：研究了 PAMPS 支撑层、PNHEA 背衬、PNAGA mIPN 以及整个贴片在模拟肠道流体和其他生物流体中的膨胀性能，结果表明 PAMPS 在单独存在时作为超吸收网络起作用，当与 PNAGA 网络结合时，膨胀总体上大大减少，同时保持了吸收生物流体和引入治疗剂的能力，如抗菌的 ZnO 纳米颗粒或庆大霉素。

酶和 pH 响应性回声传感元件的性能：插入触发响应性超声探头用于早期检测渗漏体液，其中蛋白基气泡囊（GVs）在消化后其回声和光学信号会改变，导致信号强度降低；而 pH 响应性的 TurnON 传感元件基于琼脂和溶解的碳酸氢钠，当与模拟胃液接触时，碳酸氢钠会转化为 CO₂，产生可检测的超声散射变化。酶响应性 TurnOFF 传感元件在 1.5 小时内被胰酶降解，而 pH 响应性 TurnON 传感元件在与胃液接触 15 分钟后即可给出清晰可辨的信号。

4. 细胞和组织相容性测试

细胞毒性和活力测试：使用乳酸脱氢酶（LDH）释放和 ATP 依赖的 Cell Titer Glo 测定来评估贴片与不同组织和细胞的相互作用，结果表明从合成到应用，制备的材料具有可忽略不计的细胞毒性，代谢活性较高。

组织学分析：通过对猪胃、小肠和结肠组织进行苏木精 - 伊红（H&E）染色，结果表明水凝胶密封剂与每个组织的外层紧密联锁，与组织壁外部稳定牢固结合，内部结构保持完整，与对照组相同，证明了其生物相容性和高组织粘附性。

5. 组织密封和粘附能力测试

体外密封实验：通过在最苛刻的条件下进行实验，将带有 4mm 孔的新鲜猪小肠用圆形分层贴片密封，并与模拟肠道流体、胃液和 PBS 等生物流体接触，结果表明配备 TurnOFF 或 TurnON 传感元件的密封剂贴片在长达 24 小时内的渗漏情况与无孔组织相当或更好，所有样品在与消化液直接接触 24 小时后仍牢固附着在组织上，展示了高性能的粘附和密封能力。

爆破压力和 T - 剥离实验：在消化条件下进行的爆破压力和额外的 T - 剥离实验表明，在酶活性肠道流体接触 8 小时后，粘附力至少保持其初始粘附力的 50%，而在胃液（pH 为 2.0）的情况下，粘附力值接近应用时的水平。此外，对于 SGF 和 SIF 条件，爆破压力相似，且大大超过了天然肠道的最大爆破压力。

体外超声检测：通过将装载气泡囊的贴片附着在猪小肠段上进行超声检查，结果表明贴片能够立即被识别且与肠道区分开。使用配备 TurnOFF 或 TurnON 传感元件的分层贴片密封含有消化液的小肠组织段，模拟缝合线破裂的情况，结果表明对于 TurnOFF 传感元件，在缝合线破裂（出现 4mm 孔）后 3 小时，传感元件的特征模式开始消失，6 小时时更明显，表明肠道液体会在破裂后 3 小时内被检测到，同时密封剂贴片有效防止了消化液的泄漏；对于 pH 响应性 TurnON 传感元件，在与胃液接触 15 分钟后，传感元件的激活信号清晰可辨。

体内实验：在仔猪模型中进行体内实验，在小肠上创建 4mm 缺陷并使用 TurnOFF 圆形分层水凝胶贴片密封，同时在对侧放置参考贴片，结果表明仔猪在麻醉下休息 2 小时后，缺陷部位的超声信号不再可辨，而对侧水凝胶贴片正常，打开腹腔后发现水凝胶密封剂牢固附着在肠道组织上，有效遏制了渗漏，且贴片中的传感元件难以通过肉眼辨别，与超声观察结果一致，证明了该传感概念的可行性。组织学分析表明水凝胶牢固附着在组织浆膜上，没有检测到组织损伤或改变。

综上所述，本文设计的水凝胶密封剂在组织粘附、渗漏检测和密封等方面表现出了优异的性能，为早期胃肠道渗漏的检测和遏制提供了一种有前途的解决方案，有望为医生提供在消化渗漏发生前进行干预的机会，并根据贴片的完整性和信号调整患者的治疗方案。未来还需要进一步的动物研究和材料优化，以解决长期兼容性和在消化渗漏条件下的性能优化问题。

来源：AbMole