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Science:开发出一种强力胶粘剂,有望修复多种潮湿的组织遭受的损伤

来源:本站原创 2017-08-07 20:53


图片来自Wyss Institute at Harvard University。

2017年8月7日/生物谷BIOON/---曾经试图将创可贴粘在潮湿的皮肤上的任何人都知道结果是令人失望的。对医用胶粘剂来说,湿皮肤并不是唯一的挑战:人体充满着血液、血清和其他的液体,它们都会使得对众多内部损伤的修复复杂化。如今使用的很多胶粘制品对细胞是有毒性的,当处于干燥时,它们缺乏弹性,而且不能够强力地结合到生物组织上。

如今,在一项新的研究中,来自中国清华大学和美国哈佛大学等研究机构的研究人员制造出一种超强的“强力胶粘剂(tough adhesive)”。这种强力胶粘剂是生物相容性的,能够结合到组织上,而且这种结合强度与人体自身的有弹性的软骨相比拟,此外即便当组织湿润时,这种强力胶粘剂也能够发挥作用。相关研究结果发表在2017年7月28日的Science期刊上,论文标题为“Tough adhesives for diverse wet surfaces”。

论文通信作者、哈佛大学威斯生物启发工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)创始核心成员、哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院(John A. Paulson School of Engineering and applied Sciences, SEAS)教授Dave Mooney博士说,“我们的强力胶粘剂的关键特征是将一种非常强的粘合力与转移和释放压力的能力结合在一起。在此之前,这种整合是不能在一种胶粘剂中实现的。”

当论文第一作者Jianyu Li博士(之前是威斯生物启发工程研究所的博士后研究员,如今是加拿大麦吉尔大学的一名助理教授)开始思考如何改进现有的医用胶粘剂时,他意想不到地在鼻涕虫中发现了一种液体。一种被称作Dusky Arion(学名:Arion subfuscus)的鼻涕虫在美国的部分地区和欧洲比较常见。当遭受威胁时,它会分泌一种特殊的粘液,就地将它自己胶粘起来,从而使得捕食者很难将它从它胶粘的表面上撬开。科学家们之前已确定这种胶粘物由一种坚韧的基质组成,而且这种基质上布满着带电荷的蛋白。这就启发Li和他的同事们构建一种强力胶粘剂,这种强力胶粘剂是双层水凝胶,由一种藻酸盐-聚丙烯酰胺基质层和由这种基质层支撑着的一种粘合剂层组成,这种粘合剂层具有从它的表面上伸出去的带正电荷的聚合物。

这些带正电荷的聚合物通过三种机制结合到生物组织上:静电吸引到带负电荷的细胞表面上,相邻原子间形成的共价键和物理渗透,这就使得这种胶粘剂非常强力。但是,这种基质层同样重要,Li说,“大多数之前的材料设计仅关注组织和胶粘剂之间的界面。我们的强力胶粘剂能够通过它的基质层消散能量,这就能够让它在断裂之前大量变形。”

Mooney团队设计的这个基质层含有钙离子,这些钙离子通过离子键结合到这种藻酸盐水凝胶上。当给这种强力胶粘剂施加压力时,这些“具有牺牲精神的”离子键首先被打开,从而允许基质层在它的结构被破坏之前吸收大量的能量。在实验性测试中,相比于其他的医用胶粘剂,需要三倍多的能量来破坏这种强力胶粘剂的粘合,而且当这种破坏发生时,仅这种水凝胶本身遭到破坏,这种强力胶粘剂与组织之间的粘合并未受到破坏,这就证实这种强力胶粘剂具有史无前例的高粘合强度和基质韧性。

这些研究人员在多种干燥的和潮湿的猪组织(包括皮肤、软骨、心脏、动脉和肝脏)上测试他们的强力胶粘剂,结果发现它比其他的医用胶粘剂显著更强力地结合到所有的这些组织上。当移植到大鼠体内两周后,或者当被用来密封猪心脏上的洞后通过机械手段让该猪心脏膨胀和收缩随后让它遭受数万轮拉伸,这种强力胶粘剂仍然维持它的稳定性和粘合性。此外,当在发生肝破裂出血的小鼠中使用时,它并不导致组织损伤,而且也不会粘合到周围的组织上,但是万能胶和一种商业的基于凝血酶的胶粘剂的使用会导致这些副作用产生。

这种高性能的强力胶粘剂在医学领域具有众多潜在的应用,比如作为补片(patch),能够被切割成合适的大小,用于组织表面上,或者作为一种可注射的溶液,将它注射到更深的损伤部位中。它也能够被用来将医学设备附着到它们的靶结构(如心脏)上。论文共同作者Adam Celiz博士(如今是英国帝国理工学院生物工程系的一名讲师)说,“这种强力胶粘剂具有广泛的应用。我们能够利用生物可降解的材料制造这种强力胶粘剂,因此一旦完成它们的任务,它们就降解。我们甚至能够将这种技术与软机器人技术(soft robotics)相结合,制造出粘性机器人,或者将这种技术与药物相结合,制造出一种新的药物运送载体。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

J. Li, A. D. Celiz, J. Yang et al. Tough adhesives for diverse wet surfaces. Science, 28 Jul 2017, 357(6349):378-381, doi:10.1126/science.aah6362

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