浙江大學毛崢偉教授AM：新型蛋白質基粘合劑突破濕潤組織快速止血難題

在臨床手術與創(chuàng)傷急救中，開發(fā)一種能在濕潤組織表面快速、牢固止血的生物粘合劑一直是重大挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的蛋白質基粘合劑在潮濕環(huán)境下界面粘附力弱、內聚性能不足，難以在出血創(chuàng)面形成穩(wěn)定密封。盡管自然界中海洋生物（如藤壺、貽貝）的蛋白質粘合劑表現(xiàn)出卓越的濕粘附能力，但其提取困難、結構不穩(wěn)定，限制了實際應用。普通蛋白質雖含有疏水殘基與粘附基團，但其天然折疊結構將這些功能區(qū)域包裹在內，無法在界面有效發(fā)揮作用。

針對這一難題，浙江大學毛崢偉教授、浙大二院余麗莎研究員合作提出了一種通用的“聚電解質鎖定”策略，通過將解折疊的蛋白質與高電荷密度、柔性長鏈的聚電解質結合，制備出穩(wěn)定的解折疊蛋白質基粘合劑。該策略不僅能鎖定蛋白質表面暴露的疏水區(qū)域，還能通過鏈纏結與靜電/氫鍵作用增強材料內聚性能。以展開的牛血清白蛋白（UBSA）與聚丙烯酸（PAA）為例制備的UBSA-PAA粘合劑，在濕潤組織表面表現(xiàn)出超過90°的水接觸角，并在肝和股動脈出血模型中，止血速度快、失血量顯著低于商用纖維蛋白膠。相關論文以“A Universal Polyelectrolyte-Locking Strategy: From Common Proteins to Stable Unfolded Protein-Based Adhesives for Rapid and Robust Tissue Sealing”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團隊通過分子動力學模擬揭示了蛋白質在展開過程中疏水區(qū)域的暴露及與聚電解質的強相互作用。圖1展示了該粘合劑的設計原理：通過切斷蛋白質二硫鍵使其展開，暴露出內部的疏水與粘附基團，再經聚電解質鎖定，防止疏水區(qū)域重新埋藏，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的界面疏水性與鏈纏結增強的內聚網絡。圖2的模擬結果顯示，展開后的UBSA疏水表面面積顯著增加，其與PAA之間的氫鍵數(shù)量和結合能也遠高于天然蛋白質體系。

圖1 穩(wěn)定展開蛋白質基粘合劑的設計示意圖 （A）切斷天然蛋白質二硫鍵暴露疏水與粘附功能基團，形成亞穩(wěn)態(tài)展開蛋白質。 （B）小分子穩(wěn)定化展開蛋白質示意圖：小分子穩(wěn)定劑擴散至水中引起疏水殘基重新埋藏。 （C）聚電解質鎖定策略設計穩(wěn)定展開蛋白質基粘合劑的示意圖：柔性聚電解質鏈通過靜電與氫鍵作用鎖定暴露的疏水區(qū)域，并與展開蛋白質鏈形成纏結網絡。 （D）粘附與止血機制：粘合劑通過界面疏水性排開血液，并通過鏈纏結增強內聚，從而在出血組織表面實現(xiàn)快速抗血液沖刷的密封。

圖2 通過分子動力學模擬構建穩(wěn)定展開蛋白質基粘合劑 （A）BSA及UBSA分別與PAA組裝的模擬快照。BSA和UBSA標記為紅色，與其相互作用并纏結的PAA標記為藍色。 （B）BSA、UBSA和RBSA的回轉半徑。 （C）BSA、UBSA和RBSA的相對表面疏水面積。 （D）BSA-PAA和UBSA-PAA的表面疏水殘基數(shù)量。 （E）BSA-PAA和UBSA-PAA的相對表面疏水面積。 （F）氫鍵數(shù)量、（G）庫侖能量、（H）范德華能量及（I）BSA-PAA和UBSA-PAA系統(tǒng)中蛋白質與PAA的總結合能（t = 200 ns）。

在圖3所示的實驗中，團隊證實了TCEP還原成功切斷了BSA的二硫鍵，使其疏水氨基酸暴露；而PAA的加入通過靜電與氫鍵作用穩(wěn)定了展開構象，使疏水區(qū)域得以持續(xù)暴露。粘合劑表面水接觸角升至91.1°，儲能模量也大幅提升，說明其兼具強界面疏水性與優(yōu)異內聚力。隨后的圖4中，UBSA-PAA在多種粘附測試中表現(xiàn)突出：其剪切強度、界面韌性、拉伸強度及爆破壓力均顯著高于對照組，甚至能將大鼠器官牢固粘附并提起。

圖3 穩(wěn)定展開蛋白質基粘合劑的設計與制備 （A）通過Ellman試劑法定量測定BSA和UBSA的硫基數(shù)量。 （B）TOF-SIMS表征的BSA和UBSA表面疏水氨基酸相對含量。 （C）TCEP處理的BSA、BSA-PAA和UBSA-PAA的ANS熒光強度，反映疏水殘基暴露變化。 （D）RBSA、BSA-PAA和UBSA-PAA在50分鐘時的ANS熒光發(fā)射光譜。 （E）ITC測定的BSA-PAA和UBSA-PAA的結合親和常數(shù)。 （F）XPS表征的BSA、UBSA、BSA-PAA和UBSA-PAA表面含芳香基團的疏水氨基酸相對含量。 （G）BSA、BSA-PAA和UBSA-PAA的水接觸角。 （H）BSA-PAA和UBSA-PAA的儲能模量G′。

圖4 粘附性能測試 （A）UBSA-PAA粘附大鼠器官的照片。 （B）搭接剪切測試示意圖，用于獲取（C）力-位移曲線和（D）剪切強度。 （E）T型剝離測試示意圖，用于獲取（F）力-位移曲線和（G）界面韌性。 （H）拉伸強度測試示意圖，用于獲取（I）力-位移曲線和（J）拉伸強度。

該策略展現(xiàn)出良好的普適性。如圖5所示，不僅限于BSA與PAA的組合，其他蛋白質（如乳鐵蛋白、纖維蛋白原）與不同聚電解質（如聚苯乙烯磺酸、γ-聚谷氨酸）配對后，展開蛋白質基粘合劑均表現(xiàn)出優(yōu)于天然蛋白質體系的疏水性、內聚性與粘附強度。圖6的生物學評價進一步顯示，UBSA-PAA具有良好的細胞相容性，在大鼠皮下植入后8周內逐漸降解，且引起的炎癥反應與商用纖維蛋白膠相當。

圖5 聚電解質鎖定設計策略的普適性 （A,E）蛋白質與聚電解質之間的平衡結合常數(shù)。 （B,F）天然蛋白質基粘合劑與穩(wěn)定展開蛋白質基粘合劑的水接觸角。 （C,G）天然與展開蛋白質基粘合劑的儲能模量G′。 （D,H）兩者在豬皮上的剪切強度。

圖6 展開蛋白質基粘合劑的生物相容性與生物降解性 （A）UBSA-PAA對L929成纖維細胞的細胞毒性。 （B）培養(yǎng)1、3、5天后UBSA-PAA的細胞毒性。 （C）活死染色圖像。 （D）大鼠背部皮下植入及分析流程示意圖。 （E）植入后不同時間點的植入體照片。 （F）降解率量化。 （G）組織切片H&E染色圖像。 （H）免疫熒光圖像顯示CD68巨噬細胞與CD3 T細胞。 （I）炎癥評分。 （J,K）植入后1周和2周CD68與CD3熒光強度定量。

最終，在如圖7所示的大鼠肝切口及股動脈出血模型中，UBSA-PAA實現(xiàn)了10秒內快速止血，失血量比纖維蛋白膠減少90%以上。其在濕潤組織表面的強疏水性與內部纏結網絡共同作用，有效抵抗血液沖刷，形成牢固的機械密封。

圖7 大鼠肝切口模型的體內止血密封效果 （A）肝切口損傷示意圖。 （B）空白對照、纖維蛋白膠和UBSA-PAA組的止血過程圖像。 （C）達到止血的時間。 （D）失血量統(tǒng)計。 （E）止血后0周和2周的組織切片H&E圖像。 （F）止血后2周的免疫熒光圖像。 （G）CD68和CD3熒光強度定量分析。

本研究通過一種通用的聚電解質鎖定策略，成功將普通蛋白質轉化為具有優(yōu)異濕粘附與止血功能的生物材料。該策略不僅解決了展開蛋白質疏水區(qū)域不穩(wěn)定的難題，還通過分子纏結增強了材料的內聚強度。實驗證明，UBSA-PAA粘合劑在多類組織表面均具有強大且持久的粘附力，并在嚴重出血模型中表現(xiàn)出超越商用產品的快速止血能力。該工作為開發(fā)新一代仿生蛋白質基粘合劑提供了可推廣的分子設計框架，有望在急診止血、外科密封等領域發(fā)揮重要臨床作用。