首次實現水下生物表面特異性粘附！北京大學黃建永《Mater.Horiz.》：櫛水母啟發的水凝膠高效可逆的水下特異性粘附生物表面

2020-09-09 高分子科學前沿

材料的水下粘附問題近年來越來越受到人們的關注。然而，目前的水下粘附材料主要是為在水中附著非生物材料而設計的，在水環境中如何特異性地附著在生物表面仍然是一個挑戰。櫛水母能夠選擇性地捕獲它們的水下獵物，但不粘附如沙子的非生物材料，受此啟發，北京大學工學院黃建永研究員設計了一種水凝膠，通過靜電相互作用和動態鄰苯二酚化學的協同作用，使其在水下對生物表面具有特定的黏附性。在水凝膠中精心設計的多重相互作用，有效地保護了高含量的鄰苯二酚基團不被氧化，促進了凝膠化，並保持了良好的粘附性。與現有的水下黏合劑對非生物材料具有相當強的黏附性不同，該水凝膠對各種水下動物組織具有快速、強和可重複的黏附性，但對普通的非生物材料基本無黏附性。此外，水下黏附對環境pH值、酒精或不同體液中的各種有機物的影響較小。由於具有良好的細胞相容性、抗菌活性和促進傷口癒合，水凝膠拓寬了水下粘合劑在生物醫學工程領域的新興應用。同時，這種新型的設計策略為通過協同防水動態化學機理實現水下特異性黏附提供了一種切實可行的方法。

水下特異性粘附水凝膠的設計

水凝膠基於聚丙烯酸（PAA），殼聚糖（CHI），單寧酸（TA）和鋁離子（Al3+），其中BIS化學交聯PAA形成主網絡，TA中的鄰苯二酚基團與CHI中的羥基和胺基團形成氫鍵，並與CHI中的胺基團發生靜電相互作用，鋁離子的引入進一步形成了多重靜電交聯。這種設計巧妙的避免了TA再自由基聚合中的阻聚作用。

水下特異性粘附水凝膠的設計

水下特異性粘附水凝膠的力學性能表徵

水凝膠表現出良好的斷裂應變和韌性。同時無論是在空氣中的還是在水下，通過不同機理均表現出優異的自愈能力，在空氣中，氫鍵和靜電鍵都起自愈作用，而在水下因為界面氫鍵被水嚴重破壞，靜電鍵主要起自愈作用。

水下特異性粘附水凝膠的力學性能表徵

水下特異性粘附水凝膠的粘附性能表徵

無論是在空氣中還是在水下，按壓10秒，水凝膠對包括豬皮的多種生物底物都有很好的粘附性，特別的，由於在水中氫鍵被高度抑制，水凝膠通過氫鍵抑制、豐富的靜電鍵和動態鄰苯二酚化學作用協同，使其再水下對豬皮等生物組織的粘附強度比無機或金屬材料強得多。並且水凝膠對豬皮的水下黏附力不受體液中幾種生物分子或乙醇、鹼或酸的影響的顯著影響。此外，它還可以反覆粘起水下的蟹或蝦等水生生物。

水下特異性粘附水凝膠的粘附性能表徵

水下特異性粘附水凝膠的生物相容性，抗菌性能和作為傷口粘合劑的應用

通過CCK-8表徵發現水凝膠的相對細胞活性都在70%以上，具有良好的細胞相容性。由於CHI、Al3+和TA的存在，優選的P-0.08Al-0.3C-0.3T水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌效果最好。最後，研究人員進一步將這些水凝膠樣品作為創可貼應用於大鼠皮膚切口模型中，測試其幫助創面癒合的能力。實驗結果表明，在不存在外源生長因子的情況下P-0.08Al-0.3C-0.3T水凝膠的創面癒合效果優於其他各組。從這個意義上說，採用合成水凝膠代替傳統的組織縫合線粘合傷口，促進臨床組織修復是可行的。

水下特異性粘附水凝膠的生物相容性，抗菌性能和作為傷口粘合劑的應用

總結

總的來說，研究人員開發了一種以櫛水母為靈感的堅韌水凝膠，它具有特殊的水下組織黏附特性。還擁有好的生物相容性和抗菌活性,但能夠實現快速的水下特定附著生物軟組織，大大促進了其在生物醫學工程領域的應用前景。CHI和TA之間的多重相互作用使得合成高多酚含量的水凝膠成為可能，這為開發在空氣和水下具有高附著力的水凝膠提供了一種新的設計原理。

來源：高分子科學前沿

投稿模板：

單篇報導：上海交通大學周涵、範同祥《PNAS》：薄膜一貼，從此降溫不用電！

系統報導：加拿大最年輕的兩院院士陳忠偉團隊能源領域成果集錦

相關焦點

  • AFM:基於動態疏水作用實現水凝膠水下粘附
    水凝膠具有高含水率、良好的柔軟性、適中的硬度和摩擦係數、與人體軟組織類似的結構等優異的特性，因此在組織工程、傷口敷料、生物醫學設備及水下軟機器人等生物醫學相關領域具有光明的應用前景。其中在水凝膠與粘附相關的應用方面，例如水凝膠與生物組織之間的粘附，也有迫切的需求。
  • 龔建萍《AFM》藤壺蛋白啟發,牢固持久、可循環水下凝膠黏附劑
    背景水中可重複使用的膠粘劑有許多重要的應用，如水下修復、可植入設備、傷口敷料和水中能量設備等。最近，水下膠粘劑（膠粘劑和帶狀膠粘劑）的設計和製造取得了重大進展。膠粘劑為液體溶液，需要固化過程才能在水中實現界面鍵合。帶狀膠粘劑是固體材料可以直接粘附在水下的基材上。
  • 表面有灰塵也不怕，粘附力超強的自愈彈性體
    研究團隊基於聚合物共混策略，實現了具有自癒合性能及超高界面粘附性新型彈性體（ASHA-Elastomer）的大規模、簡便、高效製備。該新型彈性體材料斷裂伸長率高達2102%、韌性模量達1.73 MJ m-3；同時，材料兼具強環境適應性的室溫自癒合性能。該自癒合彈性體材料的粘附力高達3488 N m-1，遠遠超過以往報導的其他自癒合彈性體。
  • 海南大學郝萬軍/化學所郭興林《ACS AMI》：一步聚合獲得高強韌抗疲勞水凝膠粘附材料
    此外，傳統的水凝膠雜化材料的製備通常是預先將水凝膠單體錨定在基體表面後形成強韌連接，或對基體表面進行化學改性和修飾後藉助於各種化學反應形成化學連接。儘管上述方法獲得了較好的水凝膠粘合強度，但是複雜的基材預處理工藝仍然限制其大規模應用。因此，亟需開發方便而高效的水凝膠-聚合物粘附策略。
  • 《Chemical Society Reviews》劉維民院士團隊綜述貽貝啟發水凝膠
    引人入勝的貽貝啟發性相互作用賦予水凝膠許多獨特的特性，例如自我修復，通用的溼粘合性，出色的適應性，高效的能量耗散（即，強韌性和超強拉伸性）以及出色的功能整合性。受這些發現的啟發，許多天然和合成部分已被用作構建貽貝類水凝膠的基本構件。這些貽貝類積木的優缺點，如表1所示。
  • Rev.》綜述：貽貝啟發的水凝膠，從設計原理到應用
    引人入勝的貽貝啟發性相互作用賦予水凝膠許多獨特的特性，例如自我修復，通用的溼粘合性，出色的適應性，高效的能量耗散（即，強韌性和超強拉伸性）以及出色的功能整合性。受這些發現的啟發，許多天然和合成部分已被用作構建貽貝類水凝膠的基本構件。這些貽貝類積木的優缺點，如表1所示。
  • 「偷師」章魚的Nature:簡單「吸盤貼」,水下也可用
    他們在章魚腕足吸盤微觀結構的啟發下，仿生製備了具有超強粘附特性的「吸盤貼」（adhesive patch）。該吸盤貼製作簡單，在乾燥、潮溼、水下甚至油相環境下仍具有優秀的粘附性，能夠多次循環可逆使用，並且不會給材料表面帶來任何汙染。
  • 川大魏強《先進材料》自增強的粘附力水凝膠促進細胞機械轉導
    該塗層的動態特性是通過自發的熱花菁-螺吡喃（MC-SP）異構化而實現的，而花菁（MC）和/或螺吡喃（SP）被用作通過疏水相互作用將其拴繫到細胞粘附配體上的錨定基團（示意圖1）。螺吡喃是一種眾所周知的光致變色分子，可以在紫外線（UV）照射下從更疏水的SP形式迅速異構化為更親水的MC形式，並在可見光下甚至在黑暗中緩慢還原。它已被用於可逆地調節所得的表面張力或表面潤溼性。
  • Rev.》貽貝水凝膠最新綜述
    引人入勝的貽貝啟發性相互作用賦予水凝膠許多獨特的特性，例如自我修復，通用的溼粘合性，出色的適應性，高效的能量耗散（即，強韌性和超強拉伸性）以及出色的功能整合性。受這些發現的啟發，許多天然和合成部分已被用作構建貽貝類水凝膠的基本構件。這些貽貝類積木的優缺點，如表1所示。
  • 上普學術，貽貝啟發的天然雙網絡水凝膠及在生物3D列印中的應用
    貽貝的啟發近日，清華大學孫偉教授、彌勝利教授、郭忠偉博士在ACS Biomaterials Science& Engineering發表了一篇關於受貽貝啟發的天然雙網絡水凝膠及在生物3D列印中的應用研究：Mussel-inspired naturallyderived double-network hydrogels and its application
  • 浙大楊衛院士/哈佛大學鎖志剛院士《NSR》綜述：功能性水凝膠塗層
    水凝膠還在可伸展設備和軟機器人中發揮關鍵作用，例如肌肉狀致動器、水凝膠魚、軟顯示器、可拉伸離子電子學、皮膚傳感器等。水凝膠應用中的關鍵挑戰是實現水凝膠與其他材料之間的牢固粘合。儘管水凝膠長期以來一直被開發為傷口閉合的粘合劑，然而其粘附性被限制在10J/m2以下。
  • 浙大楊衛院士哈佛大學鎖志剛院士NSR綜述：功能性水凝膠塗層
    自從1960年發明水凝膠隱形眼鏡以來，一直在進行醫療用水凝膠的深入研究和開發。最近，已經在各種基材上實現了具有受控厚度和堅韌性的功能性水凝膠塗層。水凝膠塗覆的基材將水凝膠的優點（如潤滑性，生物相容性和抗生物結垢特性）與基材的優點（如剛度，韌性和強度）結合在一起。
  • 《AM》:具有「分擔負荷」作用的粘性水凝膠...
    將粘合性能納入水凝膠可以顯著擴展應用。儘管所有先前的工作都清楚地表明了粘合水凝膠的巨大潛力，但粘合主要是基於水凝膠與基材之間的直接化學反應，並且會散發大量能量。還開發了基於物理相互作用的粘合劑水凝膠，例如涉及貽貝啟發的鄰苯二酚官能團的粘合劑。但是，鄰苯二酚基團很容易被空氣中的氧氣氧化為醌基團，這可能會限制它們的長期和可重複的粘合性能。
  • AFM:基於仿貽貝二維PEDOT納米片的自黏附水凝膠生物柔性電子
    此外、水凝膠於組織之間的界面粘附對水凝膠在生物電子中的應用，特別是電子皮膚和可植入生物電極，是至關重要的。因此，研究者期望能夠研發一種可以與周圍組織緊密結合的可用於生物電子的柔性粘附水凝膠。PDA功能化的磺化氧化石墨烯可以誘導PEDOT在表面組裝形成二維納米片，並且磺酸基能夠對PEDOT進行摻雜，因此，PSGO-PEDOT納米片還具有較高的導電性。2D PSGO-PEDOT納米片具有出色的水分散性，可在親水性水凝膠網絡中均勻分散。這種由天然啟發的製備導電、氧化還原活性的納米片方法為製備新型二維納米材料提供了新方法。
  • 把Nature發遍,從尿不溼到人造皮膚,這位科學家把水凝膠做到極致
    第三篇還是發表在Nature Materials上，講的是：水凝膠與各種無孔表面的牢固粘合在許多動物中，肌腱和軟骨與骨骼的結合非常堅固，但是在合成水凝膠和工程固體的無孔表面之間尚未實現這種堅硬的界面。因此，趙選賀課題組報告了一種策略，可將含有90％水的合成水凝膠設計成堅韌的透明和導電鍵，使其粘結到各種固體的無孔表面上，包括玻璃，矽，陶瓷，鈦和鋁。設計策略是將堅韌水凝膠的長鏈聚合物網絡共價錨定在無孔固體表面上，這可以通過使這些表面矽烷化來實現。
  • 當《Chem》點評《Matter》水凝膠作為多面手的防冰塗料
    最近，Zhu，Wang，He及其同事（Matter. 2020; 2: 723-734）通過開發合成AFP啟發的防冰材料來協同應對所有製冰過程，從而解決了這一挑戰，這與以前的報導通常只關注單個過程是不同的（圖1）。他們設計了具有前所未有的水結構化能力的合成水凝膠平臺，以獲得具有優異防冰性能的憎冰水凝膠塗層。
  • 《ACS 材料快訊》新加坡俞璟綜述:生物電子學功能導電水凝膠
    圖3.堅韌且可拉伸的導電水凝膠的示意圖具有自癒合特性的導電水凝膠可顯著延長生物電子設備的使用壽命，因此，在包括心血管修復，電子皮膚和軟機器人在內的各種應用中非常有用。許多具有高自修復性能的導電水凝膠都是基於固有修複方法，通過設計聚合物網絡中的可逆（弱）相互作用來實現的。
  • 《ACS Nano》持久強,粘合好,自修復,木質素抗菌水凝膠組合催化
    作者公開了用於工程木質素基多功能抗菌水凝膠的包括氧化脫羧和醌-鄰苯二酚氧化還原催化的兩個催化循環的組合（組合催化）。受生物啟發的設計模仿了自然中海洋貽貝採用的鄰苯二酚化學。所得的多功能可持續水凝膠（1）堅固而有彈性，（2）具有強大的抗菌活性，（3）粘附於皮膚組織和各種其他表面，並且（4）能夠自修復。進行了系統的表徵，以充分闡明和理解簡便有效的催化策略和隨後的多功能材料。
  • 哈佛大學郭俊凌《生物大分子》膠原纖維仿生熱敏止血水凝膠
    基於膠原的止血材料因其優異的生物相容性，低毒性和弱抗原性而被廣泛用於止血目的。這些天然存在的有利特性使基於膠原的材料成為控制出血的有前途的解決方案，市場上已經有多種商業產品可用。當前，兩種通用方法用於製備基於膠原的水凝膠。由於膠原蛋白分子組裝體的無序結構，通過常規的反覆冷凍乾燥方法製備的膠原蛋白水凝膠通常易碎且柔韌性較低，強度低。