哈佛大学David J Mooney院士《AM》：快速、超韧的拓扑组织粘合剂

能够在可渗透的潮湿环境中实现牢固粘附的组织粘合剂在许多生物医学应用中发挥着很大作用。然而，现有的水凝胶基粘合剂有几个局限性，包括需要直接与组织蛋白形成牢固的共价键以产生粘附力等。且无论是通过与组织官能团（即胶原中的-COOH和-NH2基团）直接形成共价键，或使用非共价相互作用产生的粘附力，都可能受到作用力弱、不稳定或缓慢粘附的限制。

哈佛大学两院院士David J Mooney教授团队通过将pH响应桥联壳聚糖聚合物链和坚韧的水凝胶耗散基质结合起来，设计了一种藻酸盐-聚丙烯酰胺坚韧粘合剂（TA），首次实现在5-10 min内对组织的超坚韧粘附（>2000 J/m2），而不形成共价键。结果表明，在生理相关条件下，这种强非共价粘附是稳定的，受到壳聚糖分子量、基质中聚合物的分子量和pH值的强烈影响。粘附机制主要依赖于壳聚糖链和可渗透粘附物之间的拓扑缠结。为了进一步扩大粘合剂的适用性，可以通过使水凝胶基质脱水来缩短粘附时间，以促进壳聚糖的快速相互渗透和缠结（1分钟内>1000 J/m 2）。该工作以题为“Rapid Ultra-Tough Topological Tissue Adhesives”发表在《Advanced Materials》上。

【壳聚糖能够快速、牢固地粘附组织】

首先研究了壳聚糖介导皮肤组织粘附的能力。在将水凝胶和桥接壳聚糖的粘合剂应用于皮肤组织后，粘附能量迅速增加，在达到稳定状态之前，3分钟时粘附能量超过1000 J/m 2，10分钟时到达2000 J/m 2。由于壳聚糖的强粘附性，不需要额外添加介导共价键形成的偶联剂。除皮肤外，单独使用壳聚糖也可观察到肌腱和心脏组织的强粘附性。且无论是否存在血液，非共价粘附都能与皮肤组织形成强大的粘附力。在37℃的DMEM培养基中孵育24小时后，继续保持与皮肤的粘附。

图1：壳聚糖无需共价键即可实现快速、牢固的粘附

图2：壳聚糖非共价粘附对血液和在DMEM中培养稳定

【粘附强度取决于pH值、桥接聚合物浓度和粘度】

先前的研究已有报道两种水凝胶之间的pH依赖拓扑粘附，接下来研究了几个因素，以探索这是否介导该体系中的观察到的强组织粘附。结果显示，粘附能随着皮肤pH值的增加而增加，超过壳聚糖的pKa。粘附能也取决于壳聚糖的浓度，在约2wt/vol%时显示最大值。坚韧的粘附力受壳聚糖分子量的影响，但不受脱乙酰度的影响。然而，这些壳聚糖样品的壳聚糖分子量导致粘度显著不同，至少相差一个数量级。壳聚糖浓度增加导致桥接聚合物层厚度增加，并减少对皮肤组织的渗透。同样，壳聚糖分子量的增加也导致界面壳聚糖层变厚，皮肤渗透性呈下降趋势。随着时间的推移，壳聚糖对皮肤的渗透性增加。

图3：壳聚糖的拓扑粘附力取决于pH值、聚合物浓度和粘度

图4：壳聚糖浓度、壳聚糖分子量和时间影响渗透

【高分子量海藻酸钠凝胶有助于增强拓扑粘附力】

接下来评估了不同藻酸盐对水凝胶力学和粘附能的影响，以解决拓扑缠结可能受耗散基质中聚合物分子量影响的假设。水凝胶韧性受海藻酸分子量的影响，而模量受海藻酸分子量和纯度的影响。此外，无论凝胶制造中使用的是超纯还是非超纯聚合物，粘附能都受到海藻酸钠分子量的影响。事实上，粘附能与海藻酸钠分子量密切正相关。

图5：高分子量海藻酸钠有助于增强粘附力

在应用于组织之前，将壳聚糖添加到水凝胶中。虽然水凝胶需要大约24小时脱水，但它们在约30分钟内重新水化到其原始质量，突出了快速水化过程。无论初始凝胶脱水状态如何，体外观察到类似的最终溶胀平衡状态。与水化凝胶相比，脱水坚韧凝胶的粘附能在施用后1分钟内超过1000 J/m 2，剪切应力超过100 kPa。FITC标记的壳聚糖的共焦成像显示，与水合硬性凝胶相比，壳聚糖在1分钟内对脱水凝胶的渗透明显更大。

图6：脱水的坚韧凝胶会产生近乎瞬时的粘附力

【小结】

综上所述，该研究结果证明了一种通过水凝胶和组织之间的二次相互作用实现强而快速粘附的新方法，并揭示了这种粘附的相关因素和机制。这种方法减少了对共价交联成分的需要，并可以进一步开发新的改进生物粘附剂，为开发众多生物应用的新策略提供了机会。

来源：高分子科学前沿

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