材料的水下粘附問題近年來越來越受到人們的關(guān)注。然而，目前的水下粘附材料主要是為在水中附著非生物材料而設(shè)計(jì)的，在水環(huán)境中如何特異性地附著在生物表面仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。櫛水母能夠選擇性地捕獲它們的水下獵物，但不粘附如沙子的非生物材料，受此啟發(fā)，北京大學(xué)工學(xué)院黃建永研究員設(shè)計(jì)了一種水凝膠，通過靜電相互作用和動(dòng)態(tài)鄰苯二酚化學(xué)的協(xié)同作用，使其在水下對(duì)生物表面具有特定的黏附性。在水凝膠中精心設(shè)計(jì)的多重相互作用，有效地保護(hù)了高含量的鄰苯二酚基團(tuán)不被氧化，促進(jìn)了凝膠化，并保持了良好的粘附性。與現(xiàn)有的水下黏合劑對(duì)非生物材料具有相當(dāng)強(qiáng)的黏附性不同，該水凝膠對(duì)各種水下動(dòng)物組織具有快速、強(qiáng)和可重復(fù)的黏附性，但對(duì)普通的非生物材料基本無黏附性。此外，水下黏附對(duì)環(huán)境pH值、酒精或不同體液中的各種有機(jī)物的影響較小。由于具有良好的細(xì)胞相容性、抗菌活性和促進(jìn)傷口愈合，水凝膠拓寬了水下粘合劑在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的新興應(yīng)用。同時(shí)，這種新型的設(shè)計(jì)策略為通過協(xié)同防水動(dòng)態(tài)化學(xué)機(jī)理實(shí)現(xiàn)水下特異性黏附提供了一種切實(shí)可行的方法。
水下特異性粘附水凝膠的設(shè)計(jì)
水凝膠基于聚丙烯酸（PAA），殼聚糖（CHI），單寧酸（TA）和鋁離子（Al3+），其中BIS化學(xué)交聯(lián)PAA形成主網(wǎng)絡(luò)，TA中的鄰苯二酚基團(tuán)與CHI中的羥基和胺基團(tuán)形成氫鍵，并與CHI中的胺基團(tuán)發(fā)生靜電相互作用，鋁離子的引入進(jìn)一步形成了多重靜電交聯(lián)。這種設(shè)計(jì)巧妙的避免了TA再自由基聚合中的阻聚作用。
水下特異性粘附水凝膠的力學(xué)性能表征
水凝膠表現(xiàn)出良好的斷裂應(yīng)變和韌性。同時(shí)無論是在空氣中的還是在水下，通過不同機(jī)理均表現(xiàn)出優(yōu)異的自愈能力，在空氣中，氫鍵和靜電鍵都起自愈作用，而在水下因?yàn)榻缑鏆滏I被水嚴(yán)重破壞，靜電鍵主要起自愈作用。
水下特異性粘附水凝膠的粘附性能表征
無論是在空氣中還是在水下，按壓10秒，水凝膠對(duì)包括豬皮的多種生物底物都有很好的粘附性，特別的，由于在水中氫鍵被高度抑制，水凝膠通過氫鍵抑制、豐富的靜電鍵和動(dòng)態(tài)鄰苯二酚化學(xué)作用協(xié)同，使其再水下對(duì)豬皮等生物組織的粘附強(qiáng)度比無機(jī)或金屬材料強(qiáng)得多。并且水凝膠對(duì)豬皮的水下黏附力不受體液中幾種生物分子或乙醇、堿或酸的影響的顯著影響。此外，它還可以反復(fù)粘起水下的蟹或蝦等水生生物。
水下特異性粘附水凝膠的生物相容性，抗菌性能和作為傷口粘合劑的應(yīng)用
通過CCK-8表征發(fā)現(xiàn)水凝膠的相對(duì)細(xì)胞活性都在70%以上，具有良好的細(xì)胞相容性。由于CHI、Al3+和TA的存在，優(yōu)選的P-0.08Al-0.3C-0.3T水凝膠對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌效果最好。最后，研究人員進(jìn)一步將這些水凝膠樣品作為創(chuàng)可貼應(yīng)用于大鼠皮膚切口模型中，測(cè)試其幫助創(chuàng)面愈合的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不存在外源生長因子的情況下P-0.08Al-0.3C-0.3T水凝膠的創(chuàng)面愈合效果優(yōu)于其他各組。從這個(gè)意義上說，采用合成水凝膠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的組織縫合線粘合傷口，促進(jìn)臨床組織修復(fù)是可行的。
總結(jié)
總的來說，研究人員開發(fā)了一種以櫛水母為靈感的堅(jiān)韌水凝膠，它具有特殊的水下組織黏附特性。還擁有好的生物相容性和抗菌活性,但能夠?qū)崿F(xiàn)快速的水下特定附著生物軟組織，大大促進(jìn)了其在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景。CHI和TA之間的多重相互作用使得合成高多酚含量的水凝膠成為可能，這為開發(fā)在空氣和水下具有高附著力的水凝膠提供了一種新的設(shè)計(jì)原理。
