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快速和強大的生物粘合劑在許多生物醫(yī)學應用中都有很高的需求，包括手術縫合傷口、固定植入裝置和止血。然而，大多數(shù)強生物膠粘劑依賴于瞬間形成不可逆共價交聯(lián)來提供強表面結(jié)合。外科手術中粘接劑移位復位可能對組織造成嚴重的繼發(fā)性損傷。

在此，來自南京大學的研究者報告了一種水凝膠帶可以在幾秒鐘內(nèi)與組織形成強烈的物理相互作用，并在數(shù)小時內(nèi)逐漸形成共價鍵。相關論文以題為“Hydrogel tapes for fault-tolerant strong wet adhesion”發(fā)表在Nature Communications上。

縫合線，長期以來一直是止血、傷口閉合和生物電子設備集成手術的首選。但是，縫合可能在固定點造成組織損傷或疤痕，難以應用于結(jié)構(gòu)復雜的組織(如脊髓、心臟)。最近，生物膠粘劑已經(jīng)成為縫合線的潛在替代品，因為它們具有生物相容性、無毒且易于使用等特點。根據(jù)配方的不同，生物膠粘劑可以是膠水型膠粘劑或膠帶型膠粘劑。膠粘劑需要很長的固化過程(幾個小時到幾天)，來建立強大的內(nèi)聚力和界面粘附。這種長時間的固化，極大地限制了它們在需要快速和強粘附的情況下的應用，例如，將生物電裝置附著在跳動的心臟上或立即止血。膠帶型膠粘劑，具有瞬時可逆作用，但僅與組織形成非共價鍵時，其粘附強度一般較低(< 50kPa)。由于粘接劑腫脹或組織出血，它們也容易從表面脫落。

為了克服這些缺點，人們引入了基于共價表面粘接的膠帶型膠粘劑。這些膠粘劑，在機械上很堅固，可以在動態(tài)表面或承受相當大張力的組織上正常工作。然而，一旦形成共價鍵，膠粘劑就不能輕易去除。特別是，大多數(shù)手術都是在動態(tài)組織表面進行的，因此膠帶型粘合劑的錯位幾乎是不可避免的。生物膠粘劑是一種快速、牢固、適形地與各種濕組織或生物電子裝置整合，但在錯位情況下仍可拆卸的生物膠粘劑。為了滿足這些需求，人們引入了一些策略。例如，Suo和同事們實現(xiàn)了一種光解粘合劑，使粘合劑在紫外線照射下脫離。Zhao和同事在共價鍵中引入了二硫鍵，以實現(xiàn)氧化還原控制的可逆分離和連接。盡管這些方法取得了巨大的成功，但使用額外的觸發(fā)器仍然使分離變得不方便。此外，用于分離的化學反應通常是緩慢的，并且不是完全可逆的。

在自然界中，海洋生物，如貽貝，可以通過分泌含有二羥基苯丙氨酸(多巴)的各種蛋白質(zhì)粘合劑，與各種有機和無機表面強烈結(jié)合。更重要的是，它們已經(jīng)形成了一種特殊的機制，來控制不同時間尺度下的粘著強度。在新分泌的粘附蛋白中，多巴的鄰苯二酚基團與各種底物形成非共價相互作用(即電荷-電荷相互作用、π -π相互作用、陽離子-π相互作用、配位作用、氫鍵作用和疏水效應)。然后多巴逐漸氧化為多巴醌，并與未氧化的鄰苯二酚基團以及氨基或羧基形成氫鍵。疏水多巴醌的聚集提供了額外的內(nèi)聚力。最終，多巴醌緩慢地與伯胺和硫醇形成共價鍵(在數(shù)小時內(nèi))，以增強粘附。這種依賴于時間尺度的粘附，是由環(huán)境的pH值和酶的存在精確調(diào)節(jié)的。值得注意的是，通過這種復雜的多巴化學反應，貽貝可以同時結(jié)合強大的即時黏附和故障安全的時間機制，以防止分泌系統(tǒng)中的過早凝固或錯誤黏附。然而，在許多含兒茶酚聚合物的合成膠粘劑中，多巴的氧化速度和產(chǎn)物沒有得到很好的調(diào)節(jié)，導致多種氧化產(chǎn)物的混合。

在此，研究者開發(fā)了一種新型的電氧化方法，可控制地將多巴氧化為多巴醌，用于構(gòu)建水凝膠膠帶，該膠帶結(jié)合了即時和強大的粘連與容錯操作。與廣泛應用的化學氧化相比，電氧化不僅促進了多巴醌的生成，而且減少了多巴低聚物的生成，使多巴基團能夠有效地用于界面交聯(lián)。所得到的水凝膠帶，通過非共價相互作用與各種有機和無機表面形成即時強附著力。該膠帶可以重新定位多次，而不會顯示出明顯的粘結(jié)強度下降。在逐漸形成共價鍵后，水凝膠膠粘帶的粘接強度增加到1268 J m−2，優(yōu)于許多報道的生物膠粘劑。研究者進一步論證了在體內(nèi)和體外，使用水凝膠帶作為軟組織密封劑和粘接劑的可行性。最后，研究者證明了水凝膠膠帶的生物相容性、可降解且適合各種生物醫(yī)學應用。

圖1 電-氧化水凝膠膠帶的粘附和容錯機理示意圖。

圖2 海藻酸多巴電氧化水凝膠帶的力學性能。

圖3 電氧化水凝膠膠帶的粘接性能。

圖4 電氧化水凝膠膠帶在組織粘連中的應用。

圖5 電氧化水凝膠膠帶的體內(nèi)粘附與止血。

圖6 電氧化凝膠帶在體內(nèi)外的生物相容性和生物降解性。

綜上所述，研究者報告機械堅固的水凝膠膠帶，適用于快速和強粘附各種濕組織和固體電子設備。與其他使用快速表面共價鍵結(jié)合的水凝膠帶(如EDC/NHS催化的酰胺鍵形成)不同，研究者引入了在濕組織表面的氨基和多巴醌之間的緩慢共價鍵結(jié)合反應。由于適中的反應速率，膠帶可以重新定位多次，而沒有顯示出與初始值相比的綁定強度明顯下降。在數(shù)小時內(nèi)形成共價鍵后，水凝膠帶的粘接強度達到~1268 J m−2。水凝膠帶的巨大的血液吸附能力，允許它們在血液覆蓋的表面正常工作。

研究者進一步證明了水凝膠膠帶作為可穿戴和植入設備的組織密封劑和粘合劑的成功應用，甚至在動態(tài)和出血的組織表面。水凝膠帶具有生物相容性、可降解性，適用于各種生物醫(yī)學應用。快速、強濕粘接與容錯實用外科手術相結(jié)合的演示，可能會啟發(fā)下一代水凝膠膠帶的設計，使其能夠在具有挑戰(zhàn)性的手術條件下發(fā)揮作用。