缝合线长期以来一直是止血、伤口闭合和生物电子设备集成手术的首选。但是，缝合可能在固定点造成组织损伤或疤痕，难以应用于结构复杂的组织(如脊髓、心脏)。最近，得益于生物粘合剂具有生物相容性、无毒、易于使用的优点，已经成为缝合线的潜在替代品。然而，胶粘剂需要很长的固化过程来建立强大的内聚力和界面粘附。这种长时间的固化极大地限制了它们在需要快速和强粘附的情况下的应用，并且在组织肿胀或出血时，它们也容易从表面脱落，这种移位复位可能对组织造成严重的继发性损伤。

因此，南京大学曹毅教授、王炜教授团队和南京大学医学院蒋青团队合作，开发了一种新的电氧化方法，可将多巴可控地氧化为多巴醌，用于构建水凝胶胶带，该胶带兼具即时、强大的粘附。并且该胶带可以重新定位多次，而不会显示出明显的粘结强度下降。，当形成共价粘附之后，粘合强度可以达到~1268 J m−2。此外，作者证明了水凝胶胶带的生物相容性、可降解性且适合各种生物医学应用。相关工作以“Hydrogel tapes for fault-tolerant strong wet adhesion”发表在《Nature Communications》。

【电氧化水凝胶胶带的设计与机理】

粘合剂水凝胶带由牛血清白蛋白(BSA)、电氧化海藻酸多巴和聚丙烯酸(PAA)制成。在n-羟基丁二酰亚胺(NHS)和1-(3-二甲胺丙基)-3-乙基羧二酰亚胺盐酸盐(EDC)存在下，BSA表面的氨基与海藻酸盐和/或PAA的羧基共价交联。聚合物的缠结以及多巴、胺和羧基之间的氢键提供了物理交联。此外，PAA可以吸收地表水，促进与多巴形成瞬时的、动态的强界面键。

此外，电氧化方法可以选择性和可控地将多巴氧化为多巴醌，而不产生其他副产物。水凝胶表面的多巴醌可以与组织表面的氨基形成共价键，建立长期强粘附。水凝胶内的多巴醌可与未氧化的多巴形成氢键，与BSA表面的氨基形成共价键，进一步强化水凝胶网络。多巴醌和在组织表面的胺或硫醇的缓慢反应,使水凝胶磁带可以提供长期附着力和可逆脱离的时间窗口,因此制成了兼具物理和化学键合的水凝胶带。

图1电氧化水凝胶胶带粘接及容错机理示意图

【结构与物理特性】

由于其优异的柔韧性，水凝胶可以制成各种形式，如绷带状的条状和双面胶带状的卷状并且具有较高的交联密度，其最大溶胀比在2.5-3.2范围内，这一特性极大地防止了胶带在体内长期应用时从湿组织剥离。此外，电氧化水凝胶胶带具有高的机械强度和韧性以及显著的能量耗散使水凝胶胶带适合于强粘接。

图2电氧化水凝胶带的力学性能

【粘结特性】

随后，在不同的时间尺度下评估了电氧化水凝胶胶带的粘接性能。结果证实了电氧化水凝胶带具有很强的瞬时粘结强度，并且可拆卸和重复使用。它的高剪切强度、抗拉强度和界面韧性使它能够在湿猪皮样品之间建立牢固的粘附。这主要归因于水凝胶具有较强的粘接力和黏聚力以及其独特的交联机制和网状结构；纳米BSA可以防止裂纹扩展，进一步提高抗拉强度；丰富的多巴醌和胺/硫醇共价键的形成确保了长期强的表面键合；强大的表面粘结和水凝胶基体的强度，确保水凝胶胶带的整体剪切和拉伸强度。重要的是，通过在界面上加入二硫苏糖醇溶液，可以使粘在有机组织上的电氧化水凝胶带脱离，很容易地去除粘在损伤组织上的电氧化水凝胶胶带。

此外，电氧化水凝胶胶带的粘接强度不受组织表面血液的影响，被吸附到水凝胶中的血清蛋白可以与多巴醌反应以提供额外的交联并降低水凝胶带的膨胀率，这些特点使电氧化水凝胶成为止血敷料的理想选择。

图3电氧化水凝胶胶带的粘接性能

【生物相容性和生物降解性】

在体外生物相容性测试中，水凝胶带上几乎没有观察到死亡细胞，细胞活力为>95%。此外，电氧化水凝胶具有蛋白酶依赖性的降解性。在加入胶原酶后，水凝胶胶带在10天内迅速减轻了40%的重量，这可能主要是由于BSA的酶解导致水凝胶网络的分解。

背侧皮下植入大鼠模型来评估胶带在体内的生物相容性和生物降解性。结果表明，水凝胶带没有对周围的真皮和肌肉层造成任何重大损伤，并且电氧化水凝胶带在14天内表现出快速降解，损伤组织愈合。全身毒性试验表明水凝胶胶带的植入不影响心脏、肝脏和肾脏的功能以及血液的凝固，慢性使用电氧化水凝胶也不会导致主要器官(心、肝、脾、肺、肾、胃和动脉)等的组织学反应或病理改变。

图4电氧化凝胶带在体内外的生物相容性和生物降解性

【小结】

在这项工作中，向我们介绍了电氧化法制成的水凝胶胶带具有很高的机械强度、快速的表面粘结和长期的机械稳定性。它引入了在湿组织表面的氨基和多巴醌之间的缓慢共价键结合反应使其适用于快速和强大的粘附各种湿组织和固体电子设备。重要的是，水凝胶带的巨大的血液吸附能力允许他们在血液覆盖的表面正常工作，并进一步证明了水凝胶胶带作为可穿戴和植入设备的组织密封剂和粘合剂的成功应用，甚至在动态和出血的组织表面。水凝胶带具有生物相容性、可降解性，适用于各种生物医学应用。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27529-5

来源：高分子科学前沿

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