导读：

近日，南京大学现代工程与应用科学学院张弢教授、凤阳县人民医院焦健医生等人针对临床栓塞材料不可降解或尺寸不均带来的风险，开发了一种利用微流控技术制备的、具有单分散性且降解时间可调控的甲基丙烯酰化明胶（GelMA）微球。研究人员通过调节微球的取代度实现了对其体内降解行为的精准掌控，在兔肾动脉出血模型中不仅达成了即时有效的止血，还通过及时的血管再通成功避免了不可逆的肾损伤。相关研究以“Tunable Biodegradable Methacrylate Gelatin Microspheres Enable Renal Artery Embolization”为题目，发表在期刊《ACS Applied Bio Materials》上。

本文要点：

1. 研究背景与挑战

• 临床需求：肾动脉出血（RAH）是一种常见且可能危及生命的急性临床病症，超选择性肾动脉栓塞术（SRAE）能准确定位，有效控制出血，目前是治疗肾出血的首选方法。

• 现有材料局限性：目前使用的栓塞剂（如明胶海绵、微圈、PVA颗粒等）存在栓塞失败、永久性材料留存导致组织坏死、血管损伤或复发性出血等问题。

2. GelMA微球的设计与制备

• 材料特性：利用明胶（Gelatin）良好的生物相容性和可降解性，通过甲基丙烯酰化改性制备成GelMA。其降解行为可通过调节取代度（DS）进行精准精准调控。

• 精准制造：采用微流控技术结合光聚合（405 nm紫外光）制备。这种方法能产生尺寸高度均匀（平均直径175 ± 4 μm）的微球，这对安全有效的血管栓塞至关重要。

3. 生物安全性与可调控降解

• 良好的相容性：体外实验显示，该微球的溶血率低于3%，细胞存活率超过90%，具有优异的生物相容性。

• 降解性能对比：

• GelMA-DS0.25（低取代度）：体外60天完全降解；在兔模型中，栓塞后约16天开始降解，至33天左右实现血管完全再通。

• GelMA-DS0.75（高取代度）：降解缓慢，体外100天仅降解30%；在体内导致持久的血管阻塞，引发肾脏钙化和萎缩。

4. 动物实验结果（兔RAH模型）

• 模型建立：通过微导丝诱导血管损伤成功建立兔肾动脉出血模型。

• 治疗效果：

• 有效止血：GelMA微球能迅速闭塞出血血管，DSA影像证实对比剂外溢立即消失。

• 功能恢复：使用GelMA-DS0.25微球的组别，不仅实现了有效止血，还通过及时的血管再通保护了肾功能，避免了不可逆的肾损伤。

5. 研究结论与意义

• 核心设计理念：理想的栓塞材料应在急性出血期提供稳定的阻塞，随后及时降解以恢复血流灌注。

• 临床潜力：GelMA-DS0.25微球凭借其尺寸均匀、降解可控、相容性好等优点，成为超选择性肾动脉栓塞术中有潜力的下一代生物降解栓塞材料。

• 未来方向：研究者提出未来可将造影剂（如碘油、金纳米颗粒）或药物（如化疗药）负载于微球中，实现显影及局部控释治疗。

GelMA（甲基丙烯酰化明胶）微球主要通过调节其甲基丙烯酰化程度（即取代度，DS）来改变材料内部的交联密度，从而实现对降解时间的精确控制。其详细机制如下：

• 合成过程中的比例调节：GelMA由明胶与甲基丙烯酸酐（MAA）反应合成，通过改变反应中MAA的添加量来获得不同的取代度。例如，GelMA-DS0.25（低取代度）使用1 mL MAA/10g明胶制成，而GelMA-DS0.75（高取代度）则使用4 mL MAA。

• 结构层面的物理转化：取代度决定了在405 nm紫外光照射下发生光交联的程度。高取代度意味着更多的光敏基团参与交联，形成更致密、更牢固的聚合物网络，这种结构能更有效地抵抗降解酶或水分的侵蚀。相反，低取代度形成的分子网络较稀疏，降解速度显著加快。

• 可预测的降解表现：

• 低取代度 (GelMA-DS0.25)：表现出“程序化降解”特性，体外实验中在60天内完全降解。在体内实验中，它在栓塞后约16天开始降解，至第33天左右实现血管完全再通，既保证了即时止血，又避免了因长期缺血导致的组织损伤。

• 高取代度 (GelMA-DS0.75)：具有极高的稳定性，体外100天仅降解30%。在体内，它会导致持久的血管阻塞，进而引发肾实质的缺血性损伤，如严重的钙化和萎缩。

综上所述，通过调整交联程度及其产生的降解动力学，可以定制出匹配不同临床治疗时间窗的栓塞微球。

图1. GelMA 微球的材料合成及体内评估示意图。(A) GelMA 的合成及其光交联过程。(B) 利用微流控平台制备 GelMA 微球。(C) 使用 GelMA 微球对兔肾动脉出血（RAH）模型进行超选择性栓塞的过程。

图2. GelMA 及 GelMA 微球的物理化学表征。(A) FTIR 光谱，(B) GelMA 的 ¹H NMR 光谱。(C) 通过流变分析测定的 GelMA 光交联过程中储能模量的演变。(D) GelMA 水凝胶在光交联过程中的粘度变化。(E) 不同条件下固化的 GelMA 图像（LAP：仅加入 LAP；UV：仅紫外线照射；LAP + UV：在 LAP 存在下的紫外线照射）。(F) 在微流控芯片内形成的 GelMA 微球，比例尺 = 200 μm。(G, H) 分散在液体石蜡 (G) 和水 (H) 中的 GelMA 微球的光学显微镜图像。(I) GelMA 微球的扫描电镜（SEM）图像。

图3. GelMA 微球的体外降解及生物相容性评估。(A) GelMA 微球的降解行为。(B) GelMA 微球的溶血率。(C, D) 分别孵育 24 小时和 48 小时后 GelMA 微球的细胞毒性评估。

图4. 兔肾数字减影血管造影（DSA）图像中提取的关键帧。展示了正常肾动脉、肾动脉出血模型建立以及使用 GelMA 微球进行栓塞过程的代表性图像。

图5. 肾动脉出血（RAH）模型的体内生理学和血液学评估。(A) 术前凝血测定。(B) 术后体温和体重监测。(C) 尿液分析结果。(D) 全血细胞计数（CBC）分析。对照组：RAH 模型；治疗组：使用 GelMA 微球进行栓塞。

图6. 栓塞后 GelMA 微球降解和肾灌注的纵向 CT 评估。(A) 栓塞后第 16、24 和 33 天获取的代表性 CT 图像，展示了微球持久性、血管通畅性和肾实质灌注随时间的变化。对于每个时间点，分别在注射对比剂前、注射过程中、注射完成后立即以及注射后 1 分钟获取 CT 图像。黄色和红色圆圈表示代表性的感兴趣区域。(B) 使用 GelMA-DS0.25 微球栓塞的肾脏的钙化率和再通率。(C) 使用 GelMA-DS0.75 微球栓塞的肾脏的钙化率。

图7. GelMA 微球栓塞 40 天后兔肾的纵切面及组织病理学评估。(A–C) 使用 GelMA-DS0.25 微球栓塞的兔肾：(A) 肾脏的大体外观，上半部分为栓塞肾，下半部分为正常肾；(B) 栓塞肾的组织切片；(C) 对侧正常肾的组织切片。(D–F) 使用 GelMA-DS0.75 微球栓塞的兔肾：(D) 肾脏的大体外观，上半部分为栓塞肾，下半部分为正常肾；(E) 栓塞肾的组织切片；(F) 对侧正常肾的组织切片。比例尺 = 100 μm。组织切片均采用 H&E 染色。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsabm.6c00466

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