《AM》:仿昆蟲表皮硬化,超強醫用粘合劑!強度媲美3M環氧膠

大自然中有許多生物能在水下實現強力的黏附，在海洋貽貝中發現的苯酚-胺的協同作用激發了研究人員開發萬能黏附的表面化學和醫用軟性粘合劑。迄今為止，已經有不少研究開發了包括應用於表面化學中的聚多巴胺塗層以及鄰苯二酚和沒食子酸酯系的軟粘合劑。此外，科學家們在昆蟲外骨骼中也發現了苯酚-胺的協同作用，其中富含胺的聚合物主鏈被酚類化合物通過N-乙醯基多巴胺、N-β-丙氨醯-多巴胺和多巴胺交聯。其外骨骼由硬化過程形成，而硬化過程中的關鍵生物化學過程是通過苯酚-醌參與的氧化反應使富胺聚合物交聯。與上述海洋生物激發的軟粘合材料不同，昆蟲外骨骼的楊氏模量極高（1-20 GPa），能與尼龍、聚乙烯、對苯二甲酸酯和聚苯乙烯等普通塑料相仿。然而，目前還沒有研究報導嘗試使用昆蟲硬化過程作為粘合劑中新的固化策略。

韓國科學技術院Lee Haeshin等人使用苯酚和多胺分子模擬硬化過程，得到了100％生態友好且生物相容的水性超級膠。以空氣中存在的氧氣和溶解在水中的氧氣為引發劑，產生的酚醛自由基/醌用於強力膠固化，其粘合強度可與商業3M環氧膠媲美，其搭接剪切強度> 6 MPa。該強力膠可以粘結到各種基材上，包括陶瓷、木材、織物、塑料、金屬以及重要的生物組織。由於強粘性，強力膠可在幾秒鐘內有效密封傷口。該強力膠的簡單、經濟、高效的製備方法有望徹底改變各種工業、生物醫學以及日常生活。該研究以題為「A Phenol-Amine Superglue Inspired by Insect Sclerotization Process」的論文發表在《Advanced Materials》上。

【模仿昆蟲硬化過程的酚/多胺強力膠】

作者開發了一種全新的策略來製備仿生、水性以及生物相容的強力膠，其靈感來自於自然界中昆蟲的表皮硬化。硬化是通過在表皮蛋白與酚類化合物在空氣-表皮界面交聯的過程（圖1a）。在這項研究中，苯酚（PG）、聚乙烯亞胺（PEI）和二氧化矽附聚物在水中的溶解和固化展現出> 6 MPa的極強粘合強度。固化過程是一個連續的兩步反應，由空氣使苯酚氧化為苯酚醌，然後在苯酚醌與PEI之間進行共價交聯。如圖1d所示，與不含二氧化矽的PG-PEI（1.09±0.11 MPa）相比，向PG-PEI粘合劑中添加二氧化矽納米顆粒（3％）使粘合強度提高了4.3倍（4.39±0.19 MPa）。固化48小時可進一步提高到5.69±0.18 MPa，其強度與商用3M環氧膠粘劑（5.41±0.72 MPa）相當。此外，由於100％水基特性，強力膠並沒有釋放揮發性有機化合物（VOC）。因此，該強力膠顯示出可作為醫用粘合劑以及日常和工業用途多功能粘合劑的巨大潛力。

圖1模仿昆蟲硬化過程的酚/多胺強力膠

圖2 強力膠的工作機理

【超強的粘合強度】

為了證明強力膠的附著力，作者將兩塊粘合面積為10×5 cm2的板粘合在一起。將板連接到重物堆上後，它們就能夠穩定地提起60公斤（圖3a）。如圖3b所示，即使懸吊了一個人的體重（65公斤），這些板仍然保持粘合狀態。在測試強力膠的粘合力時，大多數樣品都表現出整體材料損壞或變形，而不是在結合處發生粘合失敗，表明該強力膠具有巨大的附著力。對於漏水測試，作者使用強力膠將由玻璃纖維/丙烯酸酯和板材粘合在一起。固化兩天後，薄板仍牢固地粘合在玻璃纖維/丙烯酸酯體上。當船用7公斤的啞鈴漂浮在河上時，粘合的接頭處沒有滲水（圖3d），表明儘管該強力膠是水性粘合劑，但它顯示出出色的防水性能。

圖3 強力膠的粘合強度測試

【用作醫用粘合劑】

作者評估了強力膠作為醫用粘合劑的可行性，其出色的柔韌性和抵抗外力的能力使其可用於傷口的閉合和保護（圖4a）。首先保護層是防水的，從而提高了傷口閉合的耐久性。與傳統的縫合時間（圖4c）相比，該強力膠的瞬時組織粘附能顯著減少傷口的閉合時間（圖4b）。對治療過的皮膚組織進行長達14天的監測（圖4e），結果發現用強力膠閉合傷口的皮膚其恢復程度與縫合閉合的組織相同（圖4f）。與其他相比，強力膠治療組的最大疤痕寬度要小得多（圖4g，i）。這些結果清楚地表明，該仿生強力膠是一種快速作用的生物粘合劑，能夠促進皮膚再生並最大程度地減少疤痕形成。因此，與常規縫合相比，該強力膠具有技術和臨床的優勢。

圖4 強力膠用作醫用粘合劑

總結：受到昆蟲表皮硬化的啟發，作者得到了一種新型的100％環保的水性超級膠。它在包括陶瓷、木材、塑料、金屬和薄紙的各種基材上顯示出很高的粘合強度（≈6MPa）。酚類化合物與富含胺的聚合物的協同作用會產生強力的機械性能，同時二氧化矽附聚物在其中起關鍵作用。該研究可以在工業、生物醫學和生活應用中成為有前途的多功能強力膠。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002118

來源：高分子科學前沿

聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！