近期，北京大學(xué)工學(xué)院黃建永研究員課題組在科愛出版創(chuàng)辦的期刊 Bioactive Materials 上發(fā)表研究論文：受細(xì)胞逆鎖鍵行為的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種加載速率響應(yīng)型水凝膠，實(shí)現(xiàn)了高效可逆的特異性界面粘附，并通過構(gòu)建力-化學(xué)耦合模型定量地揭示了這種非線性動態(tài)響應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制，為開發(fā)具有可編程粘附性能的智能水凝膠材料提供了新的仿生設(shè)計(jì)策略。
1、研究內(nèi)容簡介
作為傳統(tǒng)手術(shù)縫合線、吻合器和醫(yī)用膠的替代品，水凝膠粘合劑（Hydrogel adhesives, HAs）為高效的組織粘合提供了新的途徑，近年來受到了廣泛的關(guān)注。盡管水凝膠粘合劑的研發(fā)已經(jīng)取得了一系列的進(jìn)展和突破，但其臨床應(yīng)用仍面臨著諸多現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，例如：非特異性粘附導(dǎo)致的可操作性低、粘附強(qiáng)度不可調(diào)整造成的換藥程序復(fù)雜等。
與人工合成的粘附材料相比，哺乳動物細(xì)胞與胞外基質(zhì)之間由動態(tài)受-配體鍵介導(dǎo)的粘附不僅表現(xiàn)出高度的特異性，而且粘附強(qiáng)度受到力學(xué)信號的調(diào)控——具有對加載速度的依賴性（圖1），甚至表現(xiàn)出“反常”的逆鎖鍵（Catch bond）行為，即在較大拉力作用下反而具有更長的鍵合壽命。這種違反直覺的現(xiàn)象已被報(bào)道存在于多種蛋白受體-配體鍵中（如整合素、鈣粘素和肌動蛋白），并被證明在調(diào)節(jié)細(xì)胞的行為和功能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如細(xì)胞遷移、微絲解聚、T細(xì)胞受體抗原識別等。
圖1：生物逆鎖鍵啟發(fā)的可逆、加載速率響應(yīng)型特異性粘附水凝膠的設(shè)計(jì)原理
受此啟發(fā)，研究人員設(shè)計(jì)了一種基于丙烯酸（AA）- N-丙烯?；拾滨０罚∟AGA）共聚物和單寧酸（TA）的氫鍵交聯(lián)水凝膠（簡稱PNT水凝膠）。該水凝膠材料能夠快速（~ 10 s）與極性生物材料表面（如皮膚、肌肉、心臟等）實(shí)現(xiàn)可逆的特異性粘附，并具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性（界面韌性~ 560 J m-2，剪切強(qiáng)度~ 70 kPa），而很難與非極性材料（如聚丙烯和聚苯乙烯）發(fā)生粘附，這有效提高了其可操作性，為外科手術(shù)中非極性材料和設(shè)備的使用提供了便利。與此同時，通過改變加載速率可以靈活地調(diào)整PNT水凝膠的粘附強(qiáng)度，當(dāng)加載速率從5 mm min-1增加到500 mm min-1時，PNT水凝膠的剪切粘接強(qiáng)度和界面粘接韌性至少提高5~6倍（圖2），這使得PNT水凝膠特別適用于人體活動部位傷口的閉合和組織修復(fù)（如果關(guān)節(jié)附近傷口閉合和修復(fù)），而且能在藥物更換時實(shí)現(xiàn)可控的高效脫離，而不造成二次損傷。
圖2：PNT水凝膠的力學(xué)性能、自修復(fù)性能、特異性粘附和加載速率敏感的粘附強(qiáng)度
為了進(jìn)一步剖析這種由可逆氫鍵主導(dǎo)的界面粘附，研究人員提出了一個基于經(jīng)典Bell-Evans理論框架的力-化學(xué)耦合模型，并結(jié)合Monte Carlo模擬等數(shù)值方法，定量地預(yù)測了PNT水凝膠-基底界面粘附對外部荷載的非線性動態(tài)響應(yīng)行為，揭示了加載速率敏感這一特性的內(nèi)在力-化學(xué)耦合機(jī)制（圖3）。
圖3：加載速率敏感型水凝膠-基底界面粘附的力-化學(xué)耦合模型
此外，PNT水凝膠也具有良好的生物相容性、抗氧化和抗菌特性，在模擬臨床換藥程序下顯著促進(jìn)了大鼠皮膚傷口的愈合（圖4），具有良好的臨床轉(zhuǎn)化潛力。
圖4：PNT水凝膠的生物相容性、抗氧化和抗菌性，以及促進(jìn)傷口愈合的能力
該項(xiàng)工作不僅提供了一種適用于多種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的刺激響應(yīng)型水凝膠粘合劑材料，而且為力響應(yīng)藥物遞送、柔性電子和軟體機(jī)器人等新興領(lǐng)域的智能材料開發(fā)提供了新的思路。
