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西安交大成一龍教授團隊 Adv. Mater.：一種用于快速止血、加速組織損傷愈合和生物電子學的高濕組織粘附性抗溶脹水凝膠

2024-12-26 來源：高分子科技

水凝膠型生物組織粘接劑因其優異的生物相容性和可調節的物理化學特性，在組織密封、傷口修復、人機界面和植入式生物電子器件等領域受到廣泛的關注。然而，生物組織表面水合層的存在以及水分子對聚合物分子間或分子內相互作用的破壞通常會造成水凝膠界面或基體功能的失效，從而使其濕粘接性能減弱。因此，急需開發具有充足濕粘接能力和抗溶脹性能的水凝膠型生物組織粘接劑以滿足臨床應用需求。

圖1. PAAS水凝膠的設計、機理和應用場景

近日，西安交通大學成一龍教授團隊提出了一種通過調節分子結構和分子間相互作用協同改善水凝膠粘接劑界面濕組織粘附性和基體抗溶脹性的全新策略。利用疏水性氨基酸衍生物N-丙烯酰苯丙氨酸（APA）中羧基與苯環在同一結構單元的獨特結構，結合分子間多重氫鍵以及兩性離子基團介導的靜電相互作用，開發出一種可在濕潤的生物組織上快速建立牢固粘接界面且具備出色抗溶脹性能的新型水凝膠粘接劑PAAS（圖1）。

該研究成果以“A Wet-Adhesion and Swelling-Resistant Hydrogel for Fast Hemostasis, Accelerated Tissue Injury Healing and Bioelectronics”為題發表在期刊《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2024, 2414092）。論文的第一作者為西安交通大學化學學院博士研究生申鍇翔，通訊作者為西安交通大學化學學院成一龍教授。

PAAS水凝膠基體抗溶脹與界面濕粘接的機理主要如下：1. PAAS水凝膠中APA的疏水效應與兩性離子基團間的靜電相互作用相結合，可有效阻止水分子滲入水凝膠網絡，從而保持水凝膠在水下結構與功能的穩定性（水下浸泡10天溶脹率小于4%）；2. APA中相鄰苯環和羧基的獨特結構不僅能在有效排除界面水合層后，通過各種非共價相互作用促進水凝膠與生物組織界面的粘接，而且還能通過疏水效應輔助形成多重氫鍵增強水凝膠基體的內聚力，從而有助于PAAS水凝膠在濕潤的生物組織上快速（~20 s）建立牢固的粘接界面（粘接強度85 kPa，界面韌性450 J m^-2，爆破壓514 mmHg）（圖2）。綜合分析結果表明，PAAS水凝膠可與多種器官組織（肝、肺、心臟、胃、動脈和皮膚）形成牢固的粘接界面。通過結合熱塑性聚氨酯PAAS水凝膠可被組裝成具有非對稱粘接特性的即用型生物貼片，PAAS貼片在大鼠肝損傷與胃穿孔模型中表現出了優異的組織粘附性，在實現快速止血的同時可加速器官損傷的修復（圖3）。此外，PAAS水凝膠還能在高濕度或水下環境中與動態的生物組織保持穩定的組織粘附，為人體健康監測（脈搏、ECG和EMG）提供準確持久的生理信號輸出（圖4）。基于出色的濕組織粘附性與生物傳感能力，PAAS水凝膠不僅在家兔與豬的多種體內器官損傷模型中表現出出色的止血與封堵能力，而且還能準確驗證PAAS貼片在頸動脈損傷出血模型中的傷口密封效果（圖5）。以上設計策略與研究結果不僅為設計具有強效濕粘接性能和抗溶脹性能的生物組織粘接劑提供有益的啟發，而且為臨床治療緊急出血、組織或器官損傷以及生物電子界面提供新的選擇。