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

在臨床手術與創傷急救中，開發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。現有的蛋白質基粘合劑在潮濕環境下界面粘附力弱、內聚性能不足，難以在出血創面形成穩定密封。盡管自然界中海洋生物（如藤壺、貽貝）的蛋白質粘合劑表現出卓越的濕粘附能力，但其提取困難、結構不穩定，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域包裹在內，無法在界面有效發揮作用。

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，防止疏水區域重新埋藏，從而實現穩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之間的氫鍵數量和結合能也遠高于天然蛋白質體系。

圖1 穩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，形成亞穩態展開蛋白質。 （B）小分子穩定化展開蛋白質示意圖：小分子穩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快速抗血液沖刷的密封。

圖2 通過分子動力學模擬構建穩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的表面疏水殘基數量。 （E）BSA-PAA和UBSA-PAA的相對表面疏水面積。 （F）氫鍵數量、（G）庫侖能量、（H）范德華能量及（I）BSA-PAA和UBSA-PAA系統中蛋白質與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定了展開構象，使疏水區域得以持續暴露。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異內聚力。隨后的圖4中，UBSA-PAA在多種粘附測試中表現突出：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熒光發射光譜。 （E）ITC測定的BSA-PAA和UBSA-PAA的結合親和常數。 （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出優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。 （B,F）天然蛋白質基粘合劑與穩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域不穩定的難題，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出超越商用產品的快速止血能力。該工作為開發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、外科密封等領域發揮重要臨床作用。