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西安交大成一龍教授團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.：一種用于快速止血、加速組織損傷愈合和生物電子學(xué)的高濕組織粘附性抗溶脹水凝膠
2024-12-26  來(lái)源：高分子科技

  水凝膠型生物組織粘接劑因其優(yōu)異的生物相容性和可調(diào)節(jié)的物理化學(xué)特性，在組織密封、傷口修復(fù)、人機(jī)界面和植入式生物電子器件等領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。然而，生物組織表面水合層的存在以及水分子對(duì)聚合物分子間或分子內(nèi)相互作用的破壞通常會(huì)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(fā)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(yīng)用需求。


圖1. PAAS水凝膠的設(shè)計(jì)、機(jī)理和應(yīng)用場(chǎng)景


  近日，西安交通大學(xué)成一龍教授團(tuán)隊(duì)提出了一種通過(guò)調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)和分子間相互作用協(xié)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(huán)在同一結(jié)構(gòu)單元的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，結(jié)合分子間多重氫鍵以及兩性離子基團(tuán)介導(dǎo)的靜電相互作用，開發(fā)出一種可在濕潤(rùn)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(fā)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(xué)化學(xué)學(xué)院博士研究生申鍇翔，通訊作者為西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院成一龍教授。


  PAAS水凝膠基體抗溶脹與界面濕粘接的機(jī)理主要如下：1. PAAS水凝膠中APA的疏水效應(yīng)與兩性離子基團(tuán)間的靜電相互作用相結(jié)合，可有效阻止水分子滲入水凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而保持水凝膠在水下結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定性（水下浸泡10天溶脹率小于4%）；2. APA中相鄰苯環(huán)和羧基的獨(dú)特結(jié)構(gòu)不僅能在有效排除界面水合層后，通過(guò)各種非共價(jià)相互作用促進(jìn)水凝膠與生物組織界面的粘接，而且還能通過(guò)疏水效應(yīng)輔助形成多重氫鍵增強(qiáng)水凝膠基體的內(nèi)聚力，從而有助于PAAS水凝膠在濕潤(rùn)的生物組織上快速（~20 s）建立牢固的粘接界面（粘接強(qiáng)度85 kPa，界面韌性450 J m-2，爆破壓514 mmHg）（圖2）。綜合分析結(jié)果表明，PAAS水凝膠可與多種器官組織（肝、肺、心臟、胃、動(dòng)脈和皮膚）形成牢固的粘接界面。通過(guò)結(jié)合熱塑性聚氨酯PAAS水凝膠可被組裝成具有非對(duì)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(xiàn)出了優(yōu)異的組織粘附性，在實(shí)現(xiàn)快速止血的同時(shí)可加速器官損傷的修復(fù)（圖3）。此外，PAAS水凝膠還能在高濕度或水下環(huán)境中與動(dòng)態(tài)的生物組織保持穩(wěn)定的組織粘附，為人體健康監(jiān)測(cè)（脈搏、ECG和EMG）提供準(zhǔn)確持久的生理信號(hào)輸出（圖4）；诔錾臐窠M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(nèi)器官損傷模型中表現(xiàn)出出色的止血與封堵能力，而且還能準(zhǔn)確驗(yàn)證PAAS貼片在頸動(dòng)脈損傷出血模型中的傷口密封效果（圖5）。以上設(shè)計(jì)策略與研究結(jié)果不僅為設(shè)計(jì)具有強(qiáng)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(fā)，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。


圖2. PAAS水凝膠的濕粘接性能


圖3. PAAS水凝膠在大鼠肝損傷與胃穿孔模型中的止血與促愈合效果


圖4. PAAS水凝膠的生物傳感性能


圖5. PAAS水凝膠在巴馬小香豬心臟、頸動(dòng)脈、肝臟、肺缺損模型中的止血、封堵與傳感性能


  該研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、西安交通大學(xué)“青年拔尖人才支持計(jì)劃”、中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的資助，并得到了西安交通大學(xué)分析測(cè)試共享中心的大力支持。


  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202414092?af=R


  成一龍教授主頁(yè)：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/yilongcheng

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