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南京大學賈敘東、張秋紅團隊 AFM：由靜電場誘導具有電荷梯度分布的非對稱濕粘附水凝膠
2023-12-10  來源：高分子科技

  生物粘附材料在生物醫(yī)學領域發(fā)展迅速，有望成為傳統(tǒng)手術(shù)縫合線的替代品。與生物粘附材料相比，傳統(tǒng)的手術(shù)縫合不僅對使用者縫合技術(shù)要求較高，而且縫合點處應力集中，會對傷口造成二次損傷。因此，生物膠粘劑的發(fā)展受到了廣泛的關(guān)注。盡管已有許多研究報道，但目前生物粘附材料在醫(yī)用場景使用中，水合層的存在對生物粘附材料的濕粘附性能提出了挑戰(zhàn)，同時傳統(tǒng)生物粘附材料的不加區(qū)分的粘附性也會造成傷口粘連，不利于傷口處的愈合。因此開發(fā)出一種具有不對稱濕粘附能力的組織粘附材料具有重要意義。


  近期，南京大學賈敘東教授與張秋紅副教授團隊報道了一種具有電荷梯度分布的濕粘附水凝膠用于抗術(shù)后組織粘連。他們首先根據(jù)貽貝濕粘附的原理合成了具有兒茶酚-陽離子協(xié)同作用的分子和溫敏自凝聚分子，并由此制備了具有優(yōu)異濕粘附性能的水凝膠材料（DCb）（水下粘附強度73 kPa）。在此基礎上，通過引入靜電場和原位紫外固化工藝（圖1a），通過靜電場驅(qū)動陰陽離子在水溶液中的不對稱分布，將具有粘附性能的兒茶酚-陽離子驅(qū)動到底部，大大提高了材料底部的粘附性能（圖1b），然后再通過原位固化得到具有梯度電荷分布的水凝膠 E-DCb。而E-DCb材料也展現(xiàn)出了不對稱的濕粘附能力（25 kPa/97 kPa）。 


圖1. 具有電荷梯度分布的Janus水凝膠E-DCb的制備思路和技術(shù)路線


  通過分子設計制備出的DCb水凝膠具有優(yōu)異的濕粘附性能，在水下粘附的強度沒有下降，可達到73kPa，甚至在PBS溶液也沒有明顯下降。進一步測試了DCb在PBS溶液中的持久粘附強度，結(jié)果表明DCb在PBS浸泡24h后粘附強度進一步提高，達到了91kPa，甚至在48h后也能到達83 kPa。DCb材料甚至在多種酸性、堿性和鹽溶液中也表現(xiàn)出了較強的粘附性能。采用體外模型驗證DCb材料的濕粘附性能，僅用6cm2的粘合面積就能從水中提起2.5kg的重物，并且可用于破損肺葉的密封。 


圖2. DCb材料的水下粘附性能。a) DCb在不同溶液中的濕粘附強度。b) DCb在不同溶液中的濕粘附強度。c) DCb在不同溶液中的濕粘附強度。d) DCb在水下對豬皮的粘附。e) DCb在水下對肺葉的密封。


  為了驗證靜電場制備工藝的可靠性，作者采用氨基偶聯(lián)熒光微球模擬陽離子在E-DCb水凝膠中的分布。未施加靜電場前，DCb兩側(cè)均勻分布熒光分子（圖3b）。在施加靜電場之后的E-DCb底部熒光分子明顯增多，并且頂部熒光分子明顯減少（圖3a）。如圖3c所示，施加靜電場之后水凝膠兩側(cè)的熒光強度比值顯著下降，這說明靜電場的確可以將水凝膠中的陰陽離子以梯度分布。同時圖3d的形貌結(jié)構(gòu)的改變以及圖3e中凝膠材料表面化學成分的變化也證明了靜電場工藝的準確性。 


圖3. 靜電場制備電荷梯度分布水凝膠的驗證。a)不同電壓和靜電場作用時間下E-DCb的頂部和底部熒光顯微鏡圖像。b) DCb的頂部和底部熒光顯微鏡圖像。c) DCb和E-DCb的熒光強度百分比。d) DCb和E-DCb頂部和底部的SEM圖像。e)水凝膠上表面和下表面N1s和C1s區(qū)域的XPS譜。


  對E-DCb的不對稱濕粘附性能進行了進一步的測試（圖4a和4b），發(fā)現(xiàn)E-DCb的兩側(cè)粘附強度分別是25kPa和97kPa，相差接近四倍，并且在體外對心臟組織表現(xiàn)出明顯的不對稱粘附能力（圖4c）。同時靜電場的施加使得E-DCb的持久粘附能力進一步提升（圖4d）。 


圖4. E-DCb的濕粘附能力測試。a) DC和E-DC的頂部和底部的瞬時和持久水下粘接強度。b) DCb和E-DCb頂部和底部的瞬時和持久水下粘接強度。c)對水下心臟具有不對稱粘附特性的E-DCb的照片。d) E-DCb與現(xiàn)有組織膠粘劑的瞬時和持久水下搭接剪切粘接強度的對比。


  E-DCb展現(xiàn)出了良好的細胞相容性、生物相容性、止血能力以及傷口愈合能力，將其用于生物模型體內(nèi)的抗粘連研究。首先將其用于大鼠肝臟部位的粘附。相比于DCb，E-DCb展現(xiàn)出防粘連的能力，并且有效對傷口部位進行濕粘附（圖5a）。后續(xù)將E-DCb用于兔子胃穿孔模型的測試，E-DCb在術(shù)前和術(shù)后均展示了優(yōu)異的不對稱粘附能力，并且在粘附7天后仍對傷口處展現(xiàn)出優(yōu)異的粘附性能（圖5b-5d）。 


圖5. E-DCb水凝膠的不對稱濕粘附能力。a) E-DCb在大鼠肝臟模型中的不對稱粘附。b) E-DCb在兔子胃穿孔模型中的粘附應用。c) E-DCb在兔子胃穿孔模型中的不對稱粘附。


  綜上所述，通過分子設計和靜電場制備工藝，制備了一種具有強水下黏附、不對稱粘附和優(yōu)異生物相容性的不對稱水凝膠。靜電場引起了水凝膠中陰離子和陽離子的不同分布。這種一體化制備的不對稱水凝膠可用于防術(shù)后組織密封修復，并且有效防止術(shù)后不必要粘連。利用靜電場制備陰離子和陽離子不對稱水凝膠，為合成功能不對稱水凝膠提供了新的設計思路。該工作以“An Integrated Asymmetric Wet Adhesive Hydrogel with Gradient Charge Distribution Induced by Electrostatic Field”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。文章第一作者是南京大學化學化工學院博士生徐志成，通訊作者為南京大學化學化工學院賈敘東教授和張秋紅副教授。該研究得到國家自然科學基金委和中央高效科研業(yè)務費的支持。感謝配位化學國家重點實驗室和高性能高分子材料與技術(shù)教育部重點實驗室的大力支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310233

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（責任編輯：xu）
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