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寧波大學陳重一教授 ACS Macro Lett.:基于螺旋結構聚氨基酸的強力生物粘合劑
2025-03-07  來源:高分子科技

  生物粘合劑在現代醫學中具有重要意義,因為它們能夠實現高效和可靠的組織粘接而不損害周圍組織。然而,生物粘合劑的應用仍然面臨著一些挑戰。首先,生物粘合劑的力學性能往往受到限制,難以滿足高強度固定的要求。第二,生物粘合劑的生物相容性不足可引發免疫反應或組織刺激,有可能影響愈合結果。此外,生物可降解的生物粘合劑在組織愈合后可逐漸被機體吸收或降解,減少二次手術的需要,降低患者感染和免疫排斥的風險。因此,迫切需要開發具有高粘接強度、生物相容性和生物降解性的生物粘合劑。在自然界中,藤壺分泌的黏附蛋白使其牢固的粘附在各種基底表面。黏附蛋白的主要含量包括陽離子殘基,如賴氨酸和精氨酸,陰離子殘基,如GluAsp,以及芳香族殘基,如PheTyr。通過NCA開環聚合獲得的聚氨基酸材料是天然蛋白質的模擬物,具有良好的生物相容性和生物降解性。


  在本研究中,作者受海洋粘附蛋白的啟發,提出了一種聚氨基酸粘合劑的設計策略,即將疏水殘基引入由谷氨酸(E)和賴氨酸(K)組成的陽離子?陰離子共聚氨基酸體系中,以實現強大的粘接。考慮到較低的生物毒性,保持谷氨酸和賴氨酸的等摩爾比,以保持電中性。三種常見的疏水側鏈氨基酸,苯丙氨酸(F)、亮氨酸(L)和纈氨酸(V),被選為疏水成分,并被納入聚氨基酸結構中。通過精確控制疏水含量和二級結構,平衡了內聚力和粘接力,從而實現了該聚氨基酸粘合劑的強粘接性能,粘接強度超過了1.0 MPa,是先前報道(ACS Macro Lett. 2024, 13, 361?367)的10倍以上。寧波大學陳重一教授課題組碩士研究生石江巖為該論文第一作者,陳重一教授為通訊作者。相關工作以“Strong Bioadhesives from Helical Polypeptides”為題,發表在ACS Macro Letters上。


EKEKF16EKV16EKL12的合成及性能測試。


  作者首先合成了合成并純化了γ-芐基-谷氨酸、Nε-芐基碳基-賴氨酸、L-苯丙氨酸、L-纈氨酸和L-亮氨酸NCA。然后,通過NCA開環聚合和選擇性去保護制備不同的共聚氨基酸,分別命名為EKEKF16EKV16EKL12。在加入去離子水后,EK是完全溶于水的,沒有明顯粘接性能。而EKF16EKV16EKL12迅速轉化成粘性凝膠,在玻璃板基底上表現出很強的粘接性能,EKL12超過了1 MPa。有趣的是,EKEKF16EKV16EKL12的粘接性能隨著α-Helix結構的增加而增強。


EKF聚氨基酸粘合劑的性能測試


  為了進一步探討疏水殘基對聚氨基酸粘接性能的影響,作者選擇苯丙氨酸作為疏水殘基,合成了不同疏水殘基含量的多肽樣品(EKFX),發現在EKF8時具有最佳的粘接性能(0.56 MPa)。內聚力和粘接力是評價粘合劑性能的重要指標,通過流變學實驗和接觸角實驗,說明聚氨基酸的粘接力和內聚力的協同效應在實現強粘接性能(EKF8)方面起著至關重要的作用。此外,CD光譜也證明了適當的α-螺旋含量(如EKF8)有利于內聚力和粘接力。


3a)聚氨基酸粘合劑粘附于不同材料上的照片。(b)對組織切口的閉合能力。(c)固化1分鐘,粘合在玻璃上的聚氨基酸粘合劑可以支撐1.5公斤的重量。(d)不同基底上的粘接強度e)照片顯示該聚氨基酸粘合劑具有良好的密封性能。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.5c00021

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(責任編輯:xu)
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