西安交大成一龙课题组《Sci. Adv.》: 分子结构精确调控构建高分子湿粘接剂

2023-06-06 来源：高分子科技

具有湿粘接能力的高分子粘接剂在快速伤口闭合、紧急止血、可植入电子设备等生物医学领域具有广阔的应用前景。然而，目前报导的大部分粘接剂对动态生物组织的湿粘接强度相对较弱，其主要原因是界面水合层的存在干扰了粘接剂和目标基质表面之间的直接接触和化学键合。另一方面，粘接剂的内聚强度也具有重要影响，尤其在水下环境中，由于水分子的渗透作用，粘接剂会发生溶胀或降解，机械强度显著降低，基体往往先于粘接界面被破坏。因此，如何通过分子结构的精确调控以实现高分子粘接剂界面作用力和内聚强度的协同提升是亟需解决的关键科学问题。

针对以上问题，西安交大成一龙研究员课题组提出了一种全新的通用设计策略用于构筑聚合物组织粘接剂（UPGAs），该粘接剂由苯丙氨酸衍生物N-丙烯酰苯丙氨酸（APA）和亲水性乙烯基单体通过一步法自由基聚合得到。通过侧基疏水性、取代基、取代基位置的系统调控，结合基体和界面分析证明了苯丙氨酸独特的分子结构（苯环和羧基位于同一结构单元）可以同时实现界面排水和键合以及基体增强，从而与生物组织建立快速（5 s）、牢固（173 kPa）的湿粘接。此外，UPGAs粘度可调，满足可注射需求，可以在不同基底材料表面快速固化粘接，并且适用于不同pH环境。进一步，UPGAs可以作为止血剂进行快速伤口闭合和紧急止血，尤其针对临床上挑战性止血场景，包括不可压缩性的内脏出血以及形状不规则的高压动脉、静脉出血等。

图1. UPGAs的设计策略

该研究表明N-丙烯酰苯丙氨酸（APA）的结构优势（苯环和羧基位于同一结构单元）具体包括以下三个方面：与N-丙烯酰甘氨酸（AG）、N-丙烯酰丙氨酸（AL）、N-丙烯酰缬氨酸（AV）相比，利用APA和丙烯酸（AA）共聚制备的聚合物湿粘接强度显著提高，主要归因于疏水性苯环在基体增强方面发挥的关键作用；APA中羧基被酰胺（N-丙烯酰苯丙酰胺（APN）)和氢（N-丙烯酰苯乙胺（APE））取代后，由于苯环在基体中疏水聚集的趋势增加，在界面排水方面贡献降低，水下粘接强度明显下降；羧基和苯环处于不同分子的位置结构对湿粘接性能显示出负面影响，这主要因为分子间动态非共价作用的形成受到影响，聚合物网络交联密度下降，基体强度减弱。此外，通过与不同亲水性单体共聚，证实了APA作为疏水组分在UPGAs构筑中的普适性和通用性。

图2. 疏水侧基对湿粘接性能的影响

图3. 取代基和取代基位置对湿粘接性能的影响

图4. APA作为疏水组分构筑UPGAs的普适性

体内出血模型表明，UPGAs可以作为一种有效的密封剂，在几秒钟内实现紧急止血，尤其是针对不可压缩的，形状不规则的内部深层出血伤口。以上结果均表明该研究的分子设计原理将为开发新一代湿粘接剂提供解决思路和发展机遇，在微创手术治疗、紧急自救、生物电子设备体内固定和植入等方面显示出巨大应用潜力。

图5. UPGAs在体内快速止血方面的应用

相关工作以“Molecular Architecture Regulation for the Design of Instant and Robust Underwater Adhesives”为题发表于《Science Advances》。论文的第一作者为西安交通大学化学学院博士生于静，西安交通大学化学学院成一龙研究员为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”等项目的支持。论文的表征及测试得到西安交通大学分析测试共享中心的大力支持。

原文链接： https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg4031

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（责任编辑：xu）

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