《金刚狼》中的“狼叔”具有极强的自愈合能力,每次受伤后都可以在极短的时间内恢复,是我们每个人都羡慕的超能力。但是在现实生活中,我们受到意外伤害之后,伤口都要借助缝合线与缝合钉才能愈合。然后缝合线与缝合钉的使用不仅会给患者造成极大的痛苦,也会在伤口愈合后留下疤痕,给患者造成长久的心理阴影。只需在伤口处轻轻一抹,即可以将伤口完美粘合的生物胶水不愧为理想之选。在去年《自然》杂志就报道了一种由赵选贺教授课题组开发的能够粘合湿润组织等湿润界面的“人体双面胶”(解读:MIT赵选贺团队再发《Nature》!首创人体双面胶,5秒粘合伤口)。
日前,麻省理工学院的赵选贺教授研究团队在去年工作的基础上,又开发出一种基于氢键与动态共价键等超分子作用力,设计制备出超强生物胶水,该材料不仅可以在潮湿的组织表面瞬间发生强粘附作用,更重要的是,它还可以在特定的外界环境刺激下,实现按需脱粘附。相关论文以“Instant toughbioadhesivewithtriggerablebenign detachment”为题发表在《PNAS》
高强,瞬间粘附生物胶水作用原理
传统胶黏剂,在潮湿表面,由于水分子的润滑作用等原因,在界面上难以发生相互作用,粘附较为困难。然而在生物环境中,大多数界面为潮湿界面,也就限制了传统胶粘剂的应用。
为了解决上述问题,赵选贺教授课题组提出了干态交联机制,通过PVA与PAA双网络机制设计并制备的高吸湿性体系,敷料置于组织表面,可以瞬间(小于5 s)将表面的水分吸收,与此同时PAA中的羧酸基团与组织表面的氨基与羧酸构成氢键相互作用;随后预先接枝于PAA侧基的NHS基团与组织表面的伯胺构成酰胺键的共价连接。
在实验中,生物胶水在组织表面仅需短时施加较小的作用力(约5s,1KPa压力)界面粘附力即可以达到400J m-2以上。而吸湿溶胀后的敷料也在组织表面形成一层高韧性抗拉伸水凝胶,其本身的断裂伸长率超过700%,断裂韧性超过1,000J m-2。
生物胶水的可控脱粘附
在无刺激响应性的传统敷料的移除过程中,非常容易对组织本身造成损伤,进而引起炎症反应,延缓伤口的愈合过程。针对这一问题赵选贺教授课题组,赋予生物胶水刺激响应性,实现可控分离。
为了实现可控分离,赵选贺教授课题组在生物胶水设计时,在体系中引入氢键超分子作用力和二硫键动态共价键两种相互作用力。在生物胶水使用较短的时间内(<5 min)为氢键占主导作用,随着时间的延长,基于酰胺键的共价相互作用逐渐变为主导。针对两种相互作用力分别利用:碳酸氢钠破坏氢键;谷胱甘肽破坏二硫键,实现生物胶水的可控分离。
在实验中,该小组将谷胱甘肽和碳酸氢钠的混合溶液喷在生物胶水处,大约5 min后生物胶水敷料即可以完整的从组织上剥离下来,且不会对组织造成任何损伤。在荧光微珠的定性测试中,我们可以看到,在添加解粘附溶液前后,荧光微珠的数量有显著的下降;而在粘附强度的测试中,我们也可以发现,在滴加解粘附溶液之后,粘附强度由原来的400 J m-2以上,下降到40J m-2左右,有一个数量级的下降。
生物胶水的潜在应用场景
这种具有刺激响应性可控分离的生物胶水,在不同的粘合时间尺度上都存在着潜在的应用场景。
在较短的时间尺度上,这种生物胶水可以有效的纠正在组织中的错误粘接与错配,且不会对组织造成任何的损伤,这种应用在肺组织上得到了演示。
在较长的时间尺度上,这种生物胶水,可以应用于在临床过程中需要在植入几天或几周后进行后续拆除的医疗器械或局部药物存放。在这种情况下,具有刺激响应性的可控分离的高韧生物胶水也就可以实现无组织损伤的可控分离。这种应用在体外跳动的猪心脏上也得到了验证。
在器件制备上,也实现了生物胶水的图案化,通过构筑沟槽,实现脱附液体的可控输运,在一端滴加脱附液体,整个界面即可浸润,进而解决了生物胶水在狭窄处,无法直接滴加脱附液体的问题。
小结
在文章中,赵选贺教授课题组协同利用干态交联机制与化学键的可逆断裂机制,制备了一种可瞬时粘结的高韧生物胶水,也实现了可控的脱粘附过程。他们也系统地研究了粘附与脱附过程的性能与机理。在此基础上,他们也将这种生物胶水应用于肺组织与心脏组织之上。这项研究不仅制备了一种新型的生物胶水,也为未来开发新型的潮湿环境的可逆胶胶水提供了新的思路。赵选贺教授对未来的展望中也提到,他们希望制备一种可以完全替代缝合线的生物胶水,让外科医生可以像透明胶带那样使用它,并且根据需要对其进行粘贴,分离和重新粘贴。
原文链接:
https://www.pnas.org/content/early/2020/06/22/2006389117
参考资料: