Science《坚韧的粘合剂，适用于各种潮湿表面》

《坚韧的粘合剂，适用于各种潮湿表面》

发表期刊：Science  (IF=56.9)

Doi:10.1126/science.aah6362

内容简介

粘附在潮湿和动态表面，包括生物组织，在许多领域都很重要，但已被证明是极具挑战性的。现有的粘合剂具有细胞毒性，对组织的粘附力较弱，或者不能在潮湿的环境中使用。A. D. Celiz报导了一种由两层组成的坚韧粘合剂（TAs）的生物灵感设计: 粘合剂表面和耗散基质。前者通过静电相互作用、共价键和物理相互渗透粘附在基材上。后者通过迟滞放大能量耗散。与现有的粘合剂相比，这两层协同作用导致在潮湿表面上具有更高的粘附能。粘附在几分钟内发生，与血液暴露无关，与体内动态运动相容。该系列粘接剂可用于许多应用领域，包括组织粘接剂，伤口敷料和组织修复。

原理

获得高粘附能量需要两种效应的协同作用。首先，粘合剂应与基材形成牢固的粘结。其次，胶粘剂或基材(或两者)内部的材料应通过迟滞耗散能量。TAs由两层组成:(i)包含互穿正电荷聚合物的粘附表面和(ii)耗散基质(图1A)。粘附表面可以通过静电相互作用、共价键和物理互渗与基体结合，而基体则通过变形时的迟滞耗散能量。此外，TAs的设计基于两个标准:(i)粘附表面必须湿润带负电荷的组织和细胞表面，并且必须在界面上形成共价键，同时符合组织的动态运动。(ii)耗散基质必须是坚韧的，并且能够在界面受到应力时有效耗散能量。

设计内容

利用这些设计原则，我们制造了一系列可以粘附在潮湿表面的TAs。我们选择猪皮作为第一个模型组织，因为它与人类皮肤非常相似，并且坚固，可以确保在界面处发生最终的粘合失效。为了确定合适的桥接聚合物，我们测试了五种聚合物:壳聚糖、聚烯丙胺(PAA)、聚乙烯亚胺、胶原蛋白和明胶。桥接聚合物迅速渗透到水凝胶基质中，形成带正电的表面。两种偶联剂，1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺和n -羟基磺基琥珀酰亚胺，被用于促进共价键的形成。其他偶联试剂或酶，如转谷氨酰胺酶，也可以使界面桥接共价键的形成。然后，我们将TAs压缩应用于猪皮肤表皮，并通过粘附能量化所产生的粘附。在所测试的聚合物中，PAA和壳聚糖导致黏附能>1000 J m−2，可能是由于这些聚合物上存在高浓度的伯胺。相比之下，单独使用偶联剂或桥接聚合物分别产生14 J m−2和303 J m−2的粘附能。接下来，我们研究了界面桥接和背景滞后之间协同作用的重要性。接着将TAs与Alg或PAAm单网水凝胶形成的粘合剂进行了比较。Alg水凝胶的粘附力较弱，因为它容易破裂，并且缺乏有效的能量耗散机制来增强界面。PAAm水凝胶具有更高的粘附力，但没有Alg-PAAm水凝胶的基体韧性高，这使得TAs能够同时整合高粘附能和高基体韧性(图C)。这种特殊的组合在现有的组织粘合剂中找不到(图D)，包括氰基丙烯酸酯(CA)、COSEAL和纳米颗粒基粘合剂。

图1所示。坚韧粘合剂(TAs)的设计。(A) TAs由耗散矩阵(浅蓝色正方形)组成，由含有离子(钙;红圈)交联和共价交联聚合物(黑色和蓝色线)，以及含有与伯胺桥接聚合物(绿色线)的粘合剂表面。桥接聚合物渗透到TA和底物中(浅绿色区域)。当裂缝接近时，由于藻酸盐链和钙离子之间的离子键断裂，过程区(橙色区域)耗散了大量的能量。(B)使用不同的桥接聚合物测量猪皮上的粘附能。PAA ，聚丙酰胺，PEI和聚乙烯亚胺。(C)黏附能随水凝胶基质的变化而变化。Alg,藻酸盐;PAAm,聚丙烯酰胺。(D)我们的TAs与其他胶粘剂的比较。CA（氰基丙烯酸盐），NPs（纳米颗粒）。误差条表示SD;N = 4个样本。

黏附性能

TAs强烈粘附在猪的皮肤、软骨、心脏、动脉和肝脏上(图2A)。它们在水凝胶上的粘附能高于最近开发的用于粘合水凝胶的纳米颗粒基粘合剂(1至10 J m−2)(图2B)。与组织不同，某些水凝胶，如聚甲基丙烯酸羟乙酯，缺乏我们用来形成界面共价键的官能团(胺或羧酸)，但这些水凝胶仍然能很好地粘附在TAs上(图2)。虽然发现桥接聚合物可以渗透到各种基底中，但在给定时间内的渗透深度取决于基底的渗透率。由于水凝胶比组织更具渗透性，异硫氰酸荧光素标记的壳聚糖在水凝胶中的渗透深度大于在皮肤或肌肉中的渗透深度(图2C)，这可能是TAs与化学惰性水凝胶强粘附的基础。

图2所示。粘附在各种潮湿的表面。TA可以应用于各种(a)组织表面和(B)水凝胶，包括聚甲基丙烯酸羟乙基酯(PHEMA)、聚N′-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)、聚丙烯酰胺(PAAm)和海藻酸-聚丙烯酰胺(Alg -PAAm)水凝胶。(C)异硫氰酸荧光素标记壳聚糖(fitc -壳聚糖)对PAAm水凝胶、皮肤和肌肉的渗透深度。误差条表示SD;N = 4

组织粘结能力

接下来，我们评估了我们的TAs作为组织粘接剂的能力，特别是与其他组织粘接剂的能力进行了比较。随着时间的推移，对猪皮肤的粘附能会增加(图3A)。组织粘连的形成在体内往往是复杂的，因为暴露于血液和动态运动。为了在体外模拟这种情况，在应用TA之前，首先在猪皮肤上覆盖血液。黏附能为1116 J m−2，表明即使与血液接触也具有很强的黏附力。相反，CA提供的粘附在暴露于血液后显著恶化(图3B)。TAs在活体跳动的猪心脏上进一步测试(图3C)。将新鲜抽取的血液涂抹在应用部位的心脏表面，然后应用TA和剥离试验(电影S3)。在动态曲面上形成了很强的粘附力，峰值强度为83±31 kPa，超过了市售的组织粘接剂(通常为~10 kPa)。综合来看，TAs的设计可以潜在地实现许多应用，包括组织的粘合和体内附着装置，组织修复和实现止血。

图3所示。粘附性能和生物相容性。(A) TAs与猪皮肤的粘附动力学。(B)在有和没有接触血液的猪皮肤上放置T - A和CA的比较。N = 4 ~ 6。(C)这是一幅画，画的是一只暴露在血液中的跳动的猪心脏。(D)通过定量测定人真皮成纤维细胞的活力，比较体外细胞相容性。N = 4。(E)采用大鼠皮下植入法评价其体内生物相容性。

组织修复能力

TA可作为预成型贴片或注射溶液用于组织修复。我们首先测试了TA作为封闭剂来封闭猪心脏的一个大缺陷(图4B)。柔顺的TA与心肌的几何形状非常吻合。在心脏膨胀过程中，密封胶随心脏变形而膨胀，在高达100%的应变下未发生泄漏。经过数万次的膨胀和紧缩循环后，仍然保持着完美的密封状态。此外，如肝出血模型所示，坚韧的粘接剂可以作为止血敷料，因为它们与血液暴露具有相容性。

图4所示。由助教启用的应用程序。(A) TAs用作组织粘接剂。TA粘附在肝脏上，并在脱粘前维持其初始长度(l)的14倍。20mm。(B) TAs作为心脏密封剂。TA密封胶在猪心脏膨胀时防止液体(红色)泄漏。DP，压强变化。(C)在没有(TA)和有塑料衬底(TA- b)的情况下测量TA密封胶的破裂压力。(D)使用TA作为止血敷料。在大鼠肝脏上留下一个很深的伤口，然后用TA密封以阻止血液流动(用红色箭头标记)。(E) TA、SURGIFLO止血剂和对照组(未治疗)的出血量。

总结

作者报告了生物相容性TAs的设计原则，它结合了界面和大部分粘合剂的化学和物理过程，以在各种潮湿和动态表面上实现高粘附能。机械性能和与细胞和组织的相容性使这些材料能够满足下一代组织粘接剂的关键要求。

转自：“科研一席话”微信公众号

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