《金剛狼》中的“狼叔”具有極強的自愈合能力，每次受傷后都可以在極短的時間內恢復，是我們每個人都羨慕的超能力。但是在現(xiàn)實生活中，我們受到意外傷害之后，傷口都要借助縫合線與縫合釘才能愈合。然后縫合線與縫合釘?shù)氖褂貌粌H會給患者造成極大的痛苦，也會在傷口愈合后留下疤痕，給患者造成長久的心理陰影。只需在傷口處輕輕一抹，即可以將傷口完美粘合的生物膠水不愧為理想之選。在去年《自然》雜志就報道了一種由趙選賀教授課題組開發(fā)的能夠粘合濕潤組織等濕潤界面的“人體雙面膠”（解讀：MIT趙選賀團隊再發(fā)《Nature》！首創(chuàng)人體雙面膠，5秒粘合傷口）。
日前，麻省理工學院的趙選賀教授研究團隊在去年工作的基礎上，又開發(fā)出一種基于氫鍵與動態(tài)共價鍵等超分子作用力，設計制備出超強生物膠水，該材料不僅可以在潮濕的組織表面瞬間發(fā)生強粘附作用，更重要的是，它還可以在特定的外界環(huán)境刺激下，實現(xiàn)按需脫粘附。相關論文以“Instant toughbioadhesivewithtriggerablebenign detachment”為題發(fā)表在《PNAS》
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高強，瞬間粘附生物膠水作用原理
傳統(tǒng)膠黏劑，在潮濕表面，由于水分子的潤滑作用等原因，在界面上難以發(fā)生相互作用，粘附較為困難。然而在生物環(huán)境中，大多數(shù)界面為潮濕界面，也就限制了傳統(tǒng)膠粘劑的應用。
為了解決上述問題，趙選賀教授課題組提出了干態(tài)交聯(lián)機制，通過PVA與PAA雙網絡機制設計并制備的高吸濕性體系，敷料置于組織表面，可以瞬間（小于5 s）將表面的水分吸收，與此同時PAA中的羧酸基團與組織表面的氨基與羧酸構成氫鍵相互作用；隨后預先接枝于PAA側基的NHS基團與組織表面的伯胺構成酰胺鍵的共價連接。
在實驗中，生物膠水在組織表面僅需短時施加較小的作用力（約5s，1KPa壓力）界面粘附力即可以達到400J m-2以上。而吸濕溶脹后的敷料也在組織表面形成一層高韌性抗拉伸水凝膠，其本身的斷裂伸長率超過700%，斷裂韌性超過1,000J m-2。
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生物膠水的可控脫粘附
在無刺激響應性的傳統(tǒng)敷料的移除過程中，非常容易對組織本身造成損傷，進而引起炎癥反應，延緩傷口的愈合過程。針對這一問題趙選賀教授課題組，賦予生物膠水刺激響應性，實現(xiàn)可控分離。
為了實現(xiàn)可控分離，趙選賀教授課題組在生物膠水設計時，在體系中引入氫鍵超分子作用力和二硫鍵動態(tài)共價鍵兩種相互作用力。在生物膠水使用較短的時間內（＜5 min）為氫鍵占主導作用，隨著時間的延長，基于酰胺鍵的共價相互作用逐漸變?yōu)橹鲗?。針對兩種相互作用力分別利用：碳酸氫鈉破壞氫鍵；谷胱甘肽破壞二硫鍵，實現(xiàn)生物膠水的可控分離。
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在實驗中，該小組將谷胱甘肽和碳酸氫鈉的混合溶液噴在生物膠水處，大約5 min后生物膠水敷料即可以完整的從組織上剝離下來，且不會對組織造成任何損傷。在熒光微珠的定性測試中，我們可以看到，在添加解粘附溶液前后，熒光微珠的數(shù)量有顯著的下降；而在粘附強度的測試中，我們也可以發(fā)現(xiàn)，在滴加解粘附溶液之后，粘附強度由原來的400 J m-2以上，下降到40J m-2左右，有一個數(shù)量級的下降。
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生物膠水的潛在應用場景
這種具有刺激響應性可控分離的生物膠水，在不同的粘合時間尺度上都存在著潛在的應用場景。
在較短的時間尺度上，這種生物膠水可以有效的糾正在組織中的錯誤粘接與錯配，且不會對組織造成任何的損傷，這種應用在肺組織上得到了演示。
在較長的時間尺度上，這種生物膠水，可以應用于在臨床過程中需要在植入幾天或幾周后進行后續(xù)拆除的醫(yī)療器械或局部藥物存放。在這種情況下，具有刺激響應性的可控分離的高韌生物膠水也就可以實現(xiàn)無組織損傷的可控分離。這種應用在體外跳動的豬心臟上也得到了驗證。
在器件制備上，也實現(xiàn)了生物膠水的圖案化，通過構筑溝槽，實現(xiàn)脫附液體的可控輸運，在一端滴加脫附液體，整個界面即可浸潤，進而解決了生物膠水在狹窄處，無法直接滴加脫附液體的問題。
小結
在文章中，趙選賀教授課題組協(xié)同利用干態(tài)交聯(lián)機制與化學鍵的可逆斷裂機制，制備了一種可瞬時粘結的高韌生物膠水，也實現(xiàn)了可控的脫粘附過程。他們也系統(tǒng)地研究了粘附與脫附過程的性能與機理。在此基礎上，他們也將這種生物膠水應用于肺組織與心臟組織之上。這項研究不僅制備了一種新型的生物膠水，也為未來開發(fā)新型的潮濕環(huán)境的可逆膠膠水提供了新的思路。趙選賀教授對未來的展望中也提到，他們希望制備一種可以完全替代縫合線的生物膠水，讓外科醫(yī)生可以像透明膠帶那樣使用它，并且根據需要對其進行粘貼，分離和重新粘貼。
原文鏈接：
https://www.pnas.org/content/early/2020/06/22/2006389117
參考資料：
