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可原位触发实现机械性能增强的可打印坚韧粘合剂

BCML速递 · 公众号 · · 2024-11-26 19:45

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生物粘合剂在临床治疗中应用广泛，但其在湿润界面上的长时间黏附仍然无法得到有效解决。况且在实际使用中，这些液态粘合剂经常会黏附在目标区域以外，导致不必要的组织粘连和错位。大自然中，沙堡蠕虫分泌的生物胶由带相反电荷的蛋白质组成：富含赖氨酸、组氨酸、甘氨酸和酪氨酸残基的聚阴离子，具有丰富的羧酸基团；以及具有伯胺基团的磷酸丝氨酸组成的聚阳离子，这些蛋白质在暴露于较高 pH 值的海水中时会凝固，从而能在水下将沙粒和贝壳黏附在一起。受到沙堡蠕虫分泌的生物胶的启发，来自麦吉尔大学生物医学工程系的 Jianyu Li 教授团队提出了可打印的坚韧胶粘剂（ PTA ）的设计，这是一种超分子水凝胶，可以打印成明确的结构，再通过原位机械增强，形成具有生理相关良性触发的坚韧基质，并牢固地粘附在不同的基材上，从而解决生物粘合剂的上述缺陷。

作者首先引入机械性能较弱的材料打印到组织表面，随后通过与周围环境进行离子交换转变为坚韧的粘合基质，从而实现粘合剂的精确制造和强韧黏附。他们选择了高分子量（ ≥ 1250 kDa ）、带负电荷的聚丙烯酸（ PAA ）聚合物和水溶性带正电荷的壳聚糖（ Chit ）聚合物作为水凝胶的骨架。这两种带相反电荷的聚合物混合之后具有高离子强度，表现出剪切变稀和自愈合，使得它们能够被 3D 打印成明确的结构。打印之后，在与触发因素（盐溶液、生物组织或水凝胶）接触时， PTA 可以通过离子交换进行机械性能强化，将断裂韧性提高 5 1 倍，并可黏附在各类常见组织表面（图 1 ）。

之后，作者分别检测了初始 P TA 的剪切屈服、剪切变稀和自愈合。 PTA 在静态状态下类似固体，施加外力后， PTA 可以从打印机喷嘴中挤出。为了表征这一点，作者设置不同的总聚合物含量，发现当聚合物浓度从 8% 增加到 12% 和 16% 时， G′ 从 75 Pa 增加到 350 Pa 和 660 Pa 。而在 0.5% 的小剪切应变下，挤出时随着剪切速率的增加， P TA 的粘度下降，这保证了打印过程中的平稳和连续挤出。之后的实验也验证了 P TA 的自愈合能力。为了评估材料在 3 D 打印时的形状保真度，作者打印了一系列承重结缔软组织模拟物，包括主动脉、半月板和肌腱，结果发现打印结构与计算机辅助设计（ CAD ）模型非常相似，与预期形状类似（图 2 ）。

PAA 具有极强的亲水性，因此它们可以吸收大量的水分并膨胀。另一方面，壳聚糖可以在 pH 值升高的情况下进行涉及相分离和收缩 / 去溶胀的凝胶化。作者假设 PAA 与 Chit 聚合物的比例决定了聚电解质水凝胶浸入水中后的溶胀 / 去溶胀以及随后的弱化 / 增强。为了研究两种聚合物之间的相互作用，他们改变了制备的聚电解质复合物中 PAA 和 Chit 之间的比例，并将触变后的断裂韧性和体积比作为定量标准进行表征。当 PAA 与 Chit 的比率较高时，带负电荷的 PAA 在制备的聚电解质复合物中占主导地位。而 PAA 与 Chit 聚合物比例比从 6 降低到 1.5 时，断裂韧性从 58 J / m ² 显著提高到 1993 J / m ² 。当 PAA 与 Chit 的比率固定为 3 时，随着聚合物总浓度从 4% 增加到 16% ， PTA 的断裂韧性从 440 J / m ² 增加到 2270 J / m ² ，增加了五倍，而体积比仅仅从 0.3 略微增加到 0.5 。这些结果验证了作者的假设，即在总聚合物含量升高的情况下形成更致密的聚合物网络。因此，更多的物理交联能够形成并有助于能量耗散能力，从而增加基质的韧性。除此以外，作者还发现离子交换时间延长也可增加 P TA 的断裂韧性，并在 3 -9 的 P H 值范围内都保持较高的机械性能稳定性（图 3 ）。

最后，作者检验了 P TA 在实际运用中的效果。结果证明 P TA 可以被打印成多种功能化的复杂结构，并在原位触变后，产生极强的黏附以至于难以剥离。在植入大鼠体内后， P TA 接触到体液后即发生了结构变化，由透明外观变成不透明白色，实现强韧黏附。组织切片显示其效果显著，但未出现过度激活的炎症反应，与其他生物粘合剂相对比有明显差异（图 4 ）。

综上所述，作者提出了可打印的坚韧胶粘剂（ PTA ）的设计，这是一种超分子水凝胶，可以打印成明确的结构，再通过原位机械增强，形成具有生理相关良性触发的坚韧基质，并牢固地粘附在不同的基材上，为植入式设备、手术模型和组织修复开辟新的途径。

该研究由来自麦吉尔大学生物医学工程系的 Jianyu Li 教授团队完成，并于 2024 年 7 月 3 日首次在线发表于 Advanced Functional Materials 期刊。

论文信息： Zhenwei Ma, Ran Huo, Alexander Nottegar, Christopher Chung-Tze-Cheong, Qiman Gao, Xiaoyi Lan, Zu-hua Gao, Jianyu Li ^* , Bioinspired printable tough adhesives with in situ benignly triggered mechanical enhancements, Adv Funct Mater 2024, 2403290.

供稿：段煜东

审校：朱彩虹

编辑：江浩