宁波大学陈重一教授 ACS Macro Lett.：基于螺旋结构聚氨基酸的强力生物粘合剂

2025-03-07 来源：高分子科技

生物粘合剂在现代医学中具有重要意义，因为它们能够实现高效和可靠的组织粘接而不损害周围组织。然而，生物粘合剂的应用仍然面临着一些挑战。首先，生物粘合剂的力学性能往往受到限制，难以满足高强度固定的要求。第二，生物粘合剂的生物相容性不足可引发免疫反应或组织刺激，有可能影响愈合结果。此外，生物可降解的生物粘合剂在组织愈合后可逐渐被机体吸收或降解，减少二次手术的需要，降低患者感染和免疫排斥的风险。因此，迫切需要开发具有高粘接强度、生物相容性和生物降解性的生物粘合剂。在自然界中，藤壶分泌的黏附蛋白使其牢固的粘附在各种基底表面。黏附蛋白的主要含量包括阳离子残基，如赖氨酸和精氨酸，阴离子残基，如Glu和Asp，以及芳香族残基，如Phe和Tyr。通过NCA开环聚合获得的聚氨基酸材料是天然蛋白质的模拟物，具有良好的生物相容性和生物降解性。

在本研究中，作者受海洋粘附蛋白的启发，提出了一种聚氨基酸粘合剂的设计策略，即将疏水残基引入由谷氨酸（E）和赖氨酸（K）组成的阳离子?阴离子共聚氨基酸体系中，以实现强大的粘接。考虑到较低的生物毒性，保持谷氨酸和赖氨酸的等摩尔比，以保持电中性。三种常见的疏水侧链氨基酸，苯丙氨酸（F）、亮氨酸（L）和缬氨酸（V），被选为疏水成分，并被纳入聚氨基酸结构中。通过精确控制疏水含量和二级结构，平衡了内聚力和粘接力，从而实现了该聚氨基酸粘合剂的强粘接性能，粘接强度超过了1.0 MPa，是先前报道（ACS Macro Lett. 2024, 13, 361?367）的10倍以上。宁波大学陈重一教授课题组硕士研究生石江岩为该论文第一作者，陈重一教授为通讯作者。相关工作以“Strong Bioadhesives from Helical Polypeptides”为题，发表在ACS Macro Letters上。

图1 EK、EKF₁₆、EKV₁₆和EKL₁₂的合成及性能测试。

作者首先合成了合成并纯化了γ-苄基-谷氨酸、N_ε-苄基碳基-赖氨酸、L-苯丙氨酸、L-缬氨酸和L-亮氨酸NCA。然后，通过NCA开环聚合和选择性去保护制备不同的共聚氨基酸，分别命名为EK、EKF₁₆、EKV₁₆和EKL₁₂。在加入去离子水后，EK是完全溶于水的，没有明显粘接性能。而EKF₁₆、EKV₁₆和EKL₁₂迅速转化成粘性凝胶，在玻璃板基底上表现出很强的粘接性能，EKL₁₂超过了1 MPa。有趣的是，EK、EKF₁₆、EKV₁₆和EKL₁₂的粘接性能随着α-Helix结构的增加而增强。

图2 EKF聚氨基酸粘合剂的性能测试

为了进一步探讨疏水残基对聚氨基酸粘接性能的影响，作者选择苯丙氨酸作为疏水残基，合成了不同疏水残基含量的多肽样品（EKF_X），发现在EKF₈时具有最佳的粘接性能（0.56 MPa）。内聚力和粘接力是评价粘合剂性能的重要指标，通过流变学实验和接触角实验，说明聚氨基酸的粘接力和内聚力的协同效应在实现强粘接性能（EKF₈）方面起着至关重要的作用。此外，CD光谱也证明了适当的α-螺旋含量（如EKF₈）有利于内聚力和粘接力。

图3（a）聚氨基酸粘合剂粘附于不同材料上的照片。（b）对组织切口的闭合能力。（c）固化1分钟，粘合在玻璃上的聚氨基酸粘合剂可以支撑1.5公斤的重量。（d）不同基底上的粘接强度。（e）照片显示该聚氨基酸粘合剂具有良好的密封性能。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.5c00021

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（责任编辑：xu）

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