西安交大成一龙教授团队 Adv. Mater.：一种用于快速止血、加速组织损伤愈合和生物电子学的高湿组织粘附性抗溶胀水凝胶

2024-12-26 来源：高分子科技

水凝胶型生物组织粘接剂因其优异的生物相容性和可调节的物理化学特性，在组织密封、伤口修复、人机界面和植入式生物电子器件等领域受到广泛的关注。然而，生物组织表面水合层的存在以及水分子对聚合物分子间或分子内相互作用的破坏通常会造成水凝胶界面或基体功能的失效，从而使其湿粘接性能减弱。因此，急需开发具有充足湿粘接能力和抗溶胀性能的水凝胶型生物组织粘接剂以满足临床应用需求。

图1. PAAS水凝胶的设计、机理和应用场景

近日，西安交通大学成一龙教授团队提出了一种通过调节分子结构和分子间相互作用协同改善水凝胶粘接剂界面湿组织粘附性和基体抗溶胀性的全新策略。利用疏水性氨基酸衍生物N-丙烯酰苯丙氨酸（APA）中羧基与苯环在同一结构单元的独特结构，结合分子间多重氢键以及两性离子基团介导的静电相互作用，开发出一种可在湿润的生物组织上快速建立牢固粘接界面且具备出色抗溶胀性能的新型水凝胶粘接剂PAAS（图1）。

该研究成果以“A Wet-Adhesion and Swelling-Resistant Hydrogel for Fast Hemostasis, Accelerated Tissue Injury Healing and Bioelectronics”为题发表在期刊《Advanced Materials》上（Adv. Mater. 2024, 2414092）。论文的第一作者为西安交通大学化学学院博士研究生申锴翔，通讯作者为西安交通大学化学学院成一龙教授。

PAAS水凝胶基体抗溶胀与界面湿粘接的机理主要如下：1. PAAS水凝胶中APA的疏水效应与两性离子基团间的静电相互作用相结合，可有效阻止水分子渗入水凝胶网络，从而保持水凝胶在水下结构与功能的稳定性（水下浸泡10天溶胀率小于4%）；2. APA中相邻苯环和羧基的独特结构不仅能在有效排除界面水合层后，通过各种非共价相互作用促进水凝胶与生物组织界面的粘接，而且还能通过疏水效应辅助形成多重氢键增强水凝胶基体的内聚力，从而有助于PAAS水凝胶在湿润的生物组织上快速（~20 s）建立牢固的粘接界面（粘接强度85 kPa，界面韧性450 J m^-2，爆破压514 mmHg）（图2）。综合分析结果表明，PAAS水凝胶可与多种器官组织（肝、肺、心脏、胃、动脉和皮肤）形成牢固的粘接界面。通过结合热塑性聚氨酯PAAS水凝胶可被组装成具有非对称粘接特性的即用型生物贴片，PAAS贴片在大鼠肝损伤与胃穿孔模型中表现出了优异的组织粘附性，在实现快速止血的同时可加速器官损伤的修复（图3）。此外，PAAS水凝胶还能在高湿度或水下环境中与动态的生物组织保持稳定的组织粘附，为人体健康监测（脉搏、ECG和EMG）提供准确持久的生理信号输出（图4）。基于出色的湿组织粘附性与生物传感能力，PAAS水凝胶不仅在家兔与猪的多种体内器官损伤模型中表现出出色的止血与封堵能力，而且还能准确验证PAAS贴片在颈动脉损伤出血模型中的伤口密封效果（图5）。以上设计策略与研究结果不仅为设计具有强效湿粘接性能和抗溶胀性能的生物组织粘接剂提供有益的启发，而且为临床治疗紧急出血、组织或器官损伤以及生物电子界面提供新的选择。

图2. PAAS水凝胶的湿粘接性能

图3. PAAS水凝胶在大鼠肝损伤与胃穿孔模型中的止血与促愈合效果

图4. PAAS水凝胶的生物传感性能

图5. PAAS水凝胶在巴马小香猪心脏、颈动脉、肝脏、肺缺损模型中的止血、封堵与传感性能

该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”、中央高校基本科研业务费等项目的资助，并得到了西安交通大学分析测试共享中心的大力支持。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202414092?af=R

成一龙教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/yilongcheng

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（责任编辑：xu）

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