西交大郭保林教授团队：双仿生水凝胶粘合剂用于无创闭合和创面修复

Bioinspired Injectable Self‑Healing Hydrogel Sealant with Fault‑Tolerant and Repeated Thermo‑Responsive Adhesion for Sutureless Post‑Wound‑Closure and Wound Healing

Yuqing Liang, Huiru Xu, Zhenlong Li, Aodi Zhangji, Baolin Guo*

Nano-Micro Letters (2022)14: 185

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00928-z

1. 基于贻贝和褐藻的固着机制，通过动态键构筑的双仿生粘合剂表现出良好的自愈合性和较好的组织粘合强度。该水凝胶表现出的温度响应性粘合特性使其可以实现容错性操作和组织的反复粘合。

2. 原儿茶醛和三价铁离子的配位键不仅赋予凝胶网络一定的强度，还使该粘合剂表现出良好的光热抗菌特性。

3. 该水凝胶具有良好的抗氧化和止血效果，在组织密封和伤口愈合方面具有广阔的应用前景。

为了进一步了解水凝胶网络的形成，通过红外和拉曼测试对凝胶网络的化学结构进行初步分析(图2)，结果表明凝胶网络内部存在席夫碱键、静电作用及配位作用。此外，SEM图片表明该凝胶网络中出现了交织在层间的微纤维，这与贻贝足丝的微结构有一定的相似之处。该凝胶网络还表现出依赖于交联剂的溶胀和降解行为，表明其可调的网络结构。

图1. 仿生粘附水凝胶的制备及应用。

图2. (a) 凝胶的压缩和扭转展示；凝胶的(b)红外和(c)拉曼图谱；(d)凝胶的SEM图；凝胶的(e)溶胀和(f)降解特性；(g)凝胶的角频率-模量曲线。

粘合剂的可注射及自愈合性对其使用方式及切口的重复闭合至关重要，且在外力破坏的情况下可延长材料的使用寿命。由于凝胶网络的动态交联作用及明胶的温度响应性相变，该凝胶网络表现出良好的宏观和微观自愈合性(图3)。

图3. (a) 凝胶的应变-模量曲线；(b) 凝胶的交替应变时间扫描；(c)凝胶的粘度随剪切频率的变化曲线；(d)凝胶的宏观自愈合展示；凝胶愈合前后的(e)拉伸曲线及(f)断裂强度；(g)凝胶的自愈合机制。

II 粘附性水凝胶的光热抗菌及生物相容性评估

抗菌特性和生物相容性对组织的修复至关重要。由于PA与Fe³⁺的配位作用，该凝胶表现出良好的光热抗菌特性(图4a)。体外细胞和血液相容性测试表明该凝胶具有良好的细胞相容性和血液相容性(图4e和f)。皮下埋植实验结果表明该凝胶具有良好的长期生物相容性(图4g)。

图4. (a) 凝胶的光热抗菌展示；(b)和(c)凝胶的光热抗菌定量结果；(d)凝胶的自由基清除性能；凝胶的(e)溶血率及(f)细胞活性定量结果；(g)凝胶皮下埋植部位组织的H&E染色。

III 水凝胶的温度响应性粘附

图5. (a) 凝胶对猪皮粘合的搭接剪切测试曲线；(b)凝胶的猪皮粘合强度；(c)凝胶依赖于温度的模量变化；(d)凝胶的模量在交变温度下的变化；凝胶在室温和生理温度下的(e)猪皮粘合拉伸曲线及(f)强度；(g)凝胶在不同温度下的粘附展示；(h)凝胶的温度响应性粘附机制。

图6. (a) 凝胶在不同表面的粘附展示；(b)凝胶的粘度随温度的变化；(c)凝胶对组织微表面的浸润；凝胶对组织的重复粘合(d)拉伸曲线和(e)强度；(f)凝胶多次实现组织切口粘合的示意图。

IV 水凝胶的止血效果及皮肤切口闭合性能评估

该凝胶表现出的良好组织粘合性、生物相容性及一定的生物活性，使其在组织粘合和止血方面具有良好的应用前景。在小鼠肝脏出血模型及兔子股静脉出血模型中，该粘合剂能很好的与出血部位周围的组织粘合，进而实现较好的止血效果(图7)。此外，通过大鼠全皮层切口模型评估了该凝胶对皮肤切口的粘合性能，结果表明该凝胶能够有效促进大鼠皮肤切口的闭合及愈合(图8)。以上结果表明该粘附性水凝胶在组织密封和修复方面具有较好的应用前景。

图7. (a)小鼠肝脏出血模型的构建；(b)不同条件下小鼠肝脏的出血量；(c)凝胶材料的爆破压；(d)兔子股静脉出血模型的构建；不同条件下兔子股静脉的(e)出血量和(f)止血时间。

图8. (a) 不同时间点大鼠皮肤切口的愈合情况；(b)愈合21天后皮肤组织的拉伸强度；(c)愈合不同时间的大鼠皮肤组织的H&E和马松染色结果。

郭保林

本文通讯作者

西安交通大学 教授

▍主要研究领域

主要从事生物医用高分子材料的研究，具体研究方向包括可降解导电高分子材料、多功能水凝胶、组织工程支架与再生医学、药物控制释放体系、皮肤敷料、止血材料、可穿戴器件等。

▍主要研究成果

国家级青年人才计划入选者，陕西省杰出青年基金获得者，西安交通大学青年拔尖计划人才A类入选者。2011年从瑞典皇家理工学院(KTH)获得高分子材料学博士学位，师从瑞典皇家工程院院士Ann-Christine Albertsson教授。已经以第一/通讯作者在Nature Reviews Chemistry, Progress in Polymer Science, National Science Review, Nature Communications, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Today, Biomaterials, Nano-Micro Letters等国际期刊发表论文120余篇，其中影响因子大于10的论文70余篇，ESI高被引论文30余篇, SCI引用14000余次，H指数63。授权/申请发明专利10项，目前主持省部级科研项目10项，包括国家自然科学基金委项目4项。任国家自然科学基金委函评专家和中国生物学会血液净化分会委员。任 Journal of Renewable Materials (SCI 期刊)副主编，Nanomaterials、Materials编委。撰写英文专著1章(Elsevier出版)。

▍Email：baoling@mail.xjtu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部