Title:Aninsitu-formingpolyzwitterionhydrogel
owardsvitreoussubstituteapplication
Authors:BinbinHe#,JianhaiYang*,YangLiu,XianhuaXie,HuijieHao,XiaoliXing*,WenguangLiu*
BioactiveMaterials
DOI:10./j.bioactmat..02.
引言
目前，临床上全氟化碳液体被用作临时玻璃体替代品，而气体和硅油则分别经常被用作中长期替代品。然而，它们的潜在*性和体内不稳定性限制了它们的长期临床应用。
近期，天津大学刘文广教授团队提出了一种新的策略来构建一种基于硫醇-丙烯酸酯的聚两性离子大分子单体的玻璃体替代品。设计合成了生物相容性的多乙烯基聚羧酸甜菜碱(PCB-OAA)大分子单体，并通过Michael加成反应与二硫苏糖醇(DTT)在玻璃体腔内形成水凝胶。合成的PCB-OAA水凝胶具有凝胶时间可控、抗蛋白质和细胞污染能力强、生物相容性好、平衡含水量、密度、光学性质、模量等优势与人体玻璃体相近的关键参数。值得注意的是，这种在兔眼玻璃体腔中快速形成的水凝胶在生物相容性方面优于临床使用的硅油，在玻璃体腔中保持稳定，显示出显著预防炎症反应、纤维化和并发症(如眼压升高和白内障形成)的能力。这种两性离子聚合物水凝胶作为玻璃体替代品具有很大的潜力。
图1：含有DTT的PCB-OAA水凝胶示意图
(A)PCB-OAA两性聚合物和PCB-OAA-DTT水凝胶的合成工艺、分子结构。(B)将PCB-OAA和DTT注射到兔玻璃体腔内形成水凝胶，作为玻璃体替代物的示意图。
图2：PCB-OAA水凝胶的表征
（A）PCB-OAA水凝胶在37℃下的凝胶时间。（B）随着DTT交联密度的降低，PCB-OAA含量越高，溶胀比越大。这一结果表明，PCB-OAA水凝胶具有良好的溶胀稳定性。(C)在到nm波长范围内，PCB-OAA-7和PCB-OAA-8.5水凝胶的透光率均在90%以上，而PCB-OAA-10水凝胶的透光率低于90%。结果表明，所有水凝胶在nm以下的较低波长下都表现出较低的透光率，这与天然玻璃的理想透光率一致。(D)PCB-OAA-7水凝胶对非特异性蛋白吸附的抵抗力最强，且随着PCB-OAA浓度的增加，其抵抗力略有减弱。(E-H)TCPS（TC系列细胞培养板）上的成纤维细胞(L)细胞贴壁紧密，培养24、48h后细胞增殖正常，在水凝胶上培养24、48h后，细胞几乎全部脱离，仅有极少数圆形细胞保留在水凝胶表面。这些结果表明，PCB-OAA水凝胶具有良好的防污性能。(I)成纤维细胞(L)细胞在所有PCB-OAA水凝胶在共孵育72h后仍能保持90%以上的存活率，说明PCB-OAA水凝胶具有较好的细胞相容性。
图3：PCB-OAA水凝胶的流变性能
（A）G‘和G’‘的交叉点计算出PCB-OAA-7水凝胶的成胶时间为s，但由于PCB-OAA-8.5和PCB-OAA-10水凝胶的凝胶化速度较快，无法检测到交叉点。(B)所有PCB-OAA水凝胶的G’值总是占主导地位，并且在整个频率范围(0.01-10Hz)内保持恒定值。(C-D)所有的G’值几乎是恒定的，这表明它们在浸泡1个月后仍保持稳定的水凝胶状态。所有水凝胶的G’值都不同程度地低于原始水凝胶的G’值，这表明长期浸泡在盐水溶液中导致力学性能下降。(E)当应力被卸载时，PCB-OAA-7水凝胶经历了部分恢复，包括瞬时恢复和延迟恢复，直到达到稳态。应变不为零这个结果验证了PCB-OAA-7水凝胶的粘弹性。(F)不同外加应力(0.5和1.0帕)下的剪切蠕变柔量值(~0.05)在天然玻璃体的正常值(0.02–1帕)范围内，进一步说明了PCB-OAA-7水凝胶与天然玻璃体的类似流变性质。
图4：术后1个月(1M)和6个月(6M)兔眼的活体图像
(A-B)术后1个月和6个月，正常组、假手术组和PCB-OAA-7水凝胶组均未见高回声或中回声异常改变，无并发症(出血和视网膜脱离)。而在SO组中观察到一些絮状回声，这可能是由于硅油和水之间的声速差异引起的异常回声。(C-F)正常组、假手术组和PCB-OAA-7水凝胶组的术后1个月和6个月的眼底镜图像证明屈光介质仍然保持良好的透明度。而且在所有三组的荧光素血管造影图像中观察到清晰的血管。SO组的眼底镜图像和荧光素血管造影图像都是模糊的。
图5：术后1个月(1M)和6个月(6M)观察兔眼视网膜功能和眼压
（A-B）假手术组、硅油（SO）组和PCB-OAA-7水凝胶组的手术兔眼表现出与相应正常眼相似的暗视、明视和闪烁视网膜电图的正常表现，表明在1个月和6个月时内视网膜功能没有丧失。(D-F、H-J)在1个月时，所有三个手术组的手术兔眼的DA0.01、DA3和LA3ERGs(视网膜电流图)的b波振幅与它们相应的正常眼相比都有轻微的增加；而在6个月时没有观察到显著变化，证明了更好的光感受器功能活性，且水凝胶植入没有引起视网膜功能障碍。（G、K）假手术组、SO组、PCB-OAA-7水凝胶组手术眼在1个月和6个月时的IOP(眼压)值与其对应眼无统计学差异，所有值均在正常范围内。所以PCB-OAA-7水凝胶能够维持视网膜的功能，并且不会引起术后眼压异常。
图6：术后6个月兔眼外观
（A-B）在假手术组和PCB-OAA-7水凝胶组中没有观察到显著的炎症和任何其他异常。而SO组表现为位于晶状体和玻璃体中的不透明区域的显著异常，暗示有白内障或玻璃体混浊的趋势，这是由SO的乳化引起的。
图7：术后6个月兔眼的组织病理学检查和免疫染色
（A-C）正常组、假手术组和PCB-OAA-7水凝胶组角膜、虹膜和视网膜结构正常。而SO组则出现视网膜变形和形态缺陷，可能是SO浸润所致。
小结
综上所述本文提出了一种基于丙烯酸酯改性聚羧酸甜菜碱大分子单体与DTT的Michael加成反应来构建生物稳定、生物安全的玻璃体替代物的新策略。该聚两性离子水凝胶具有合适的凝胶化时间、溶胀率、储能模量、与人体玻璃体相近的光学性质、优异的防污能力和较高的稳定性。聚羧基甜菜碱大分子单体和DTT前体溶液的共同注射有助于在兔眼内迅速形成水凝胶，完美地填充玻璃体腔，并使视网膜保持在适当的位置。通过眼压测量、B超检查、眼底照相、荧光素血管造影、视网膜电图及组织病理学检查等分析，证明该防污聚两性离子水凝胶的生物相容性优于临床使用的硅油，且在玻璃体腔内保持稳定，无不良反应。作者认为这种新型的两性离子水凝胶为人工玻璃体提供了一种新的选择。
上述研究成果在《BioactiveMaterials》上在线发表，题为“Aninsitu-formingpolyzwitterionhydrogelowardsvitreoussubstituteapplication”。天津大学BinbinHe为论文的第一作者，天津大学刘文广教授，天津医科大学的XiaoliXing，天津大学杨建海副教授，为论文共同通讯作者。
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