首次实现水下生物表面特异性粘附!栉水母启发的水凝胶高效可逆的水下特异性粘附生物表面

材料的水下粘附问题近年来越来越受到人们的关注。然而,目前的水下粘附材料主要是为在水中附着非生物材料而设计的,在水环境中如何特异性地附着在生物表面仍然是一个挑战。栉水母能够选择性地捕获它们的水下猎物,但不粘附如沙子的非生物材料,受此启发,北京大学工学院黄建永研究员设计了一种水凝胶,通过静电相互作用和动态邻苯二酚化学的协同作用,使其在水下对生物表面具有特定的黏附性。在水凝胶中精心设计的多重相互作用,有效地保护了高含量的邻苯二酚基团不被氧化,促进了凝胶化,并保持了良好的粘附性。与现有的水下黏合剂对非生物材料具有相当强的黏附性不同,该水凝胶对各种水下动物组织具有快速、强和可重复的黏附性,但对普通的非生物材料基本无黏附性。此外,水下黏附对环境pH值、酒精或不同体液中的各种有机物的影响较小。由于具有良好的细胞相容性、抗菌活性和促进伤口愈合,水凝胶拓宽了水下粘合剂在生物医学工程领域的新兴应用。同时,这种新型的设计策略为通过协同防水动态化学机理实现水下特异性黏附提供了一种切实可行的方法。

首次实现水下生物表面特异性粘附!北京大学黄建永《Mater.Horiz.》:栉水母启发的水凝胶高效可逆的水下特异性粘附生物表面

水下特异性粘附水凝胶的设计

水凝胶基于聚丙烯酸(PAA),壳聚糖(CHI),单宁酸(TA)和铝离子(Al3+),其中BIS化学交联PAA形成主网络,TA中的邻苯二酚基团与CHI中的羟基和胺基团形成氢键,并与CHI中的胺基团发生静电相互作用,铝离子的引入进一步形成了多重静电交联。这种设计巧妙的避免了TA再自由基聚合中的阻聚作用。

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水下特异性粘附水凝胶的设计

 

水下特异性粘附水凝胶的力学性能表征

水凝胶表现出良好的断裂应变和韧性。同时无论是在空气中的还是在水下,通过不同机理均表现出优异的自愈能力,在空气中,氢键和静电键都起自愈作用,而在水下因为界面氢键被水严重破坏,静电键主要起自愈作用。

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水下特异性粘附水凝胶的力学性能表征

 

水下特异性粘附水凝胶的粘附性能表征

无论是在空气中还是在水下,按压10秒,水凝胶对包括猪皮的多种生物底物都有很好的粘附性,特别的,由于在水中氢键被高度抑制,水凝胶通过氢键抑制、丰富的静电键和动态邻苯二酚化学作用协同,使其再水下对猪皮等生物组织的粘附强度比无机或金属材料强得多。并且水凝胶对猪皮的水下黏附力不受体液中几种生物分子或乙醇、碱或酸的影响的显著影响。此外,它还可以反复粘起水下的蟹或虾等水生生物。

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水下特异性粘附水凝胶的粘附性能表征

 

水下特异性粘附水凝胶的生物相容性,抗菌性能和作为伤口粘合剂的应用

通过CCK-8表征发现水凝胶的相对细胞活性都在70%以上,具有良好的细胞相容性。由于CHI、Al3+和TA的存在,优选的P-0.08Al-0.3C-0.3T水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果最好。最后,研究人员进一步将这些水凝胶样品作为创可贴应用于大鼠皮肤切口模型中,测试其帮助创面愈合的能力。实验结果表明,在不存在外源生长因子的情况下P-0.08Al-0.3C-0.3T水凝胶的创面愈合效果优于其他各组。从这个意义上说,采用合成水凝胶代替传统的组织缝合线粘合伤口,促进临床组织修复是可行的。

首次实现水下生物表面特异性粘附!北京大学黄建永《Mater.Horiz.》:栉水母启发的水凝胶高效可逆的水下特异性粘附生物表面
水下特异性粘附水凝胶的生物相容性,抗菌性能和作为伤口粘合剂的应用

 

总结

总的来说,研究人员开发了一种以栉水母为灵感的坚韧水凝胶,它具有特殊的水下组织黏附特性。还拥有好的生物相容性和抗菌活性,但能够实现快速的水下特定附着生物软组织,大大促进了其在生物医学工程领域的应用前景。CHI和TA之间的多重相互作用使得合成高多酚含量的水凝胶成为可能,这为开发在空气和水下具有高附着力的水凝胶提供了一种新的设计原理。

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