西南交通大學魯雄教授團隊Nature Communications：植物啟發動態兒茶酚化學引發的超強粘附水凝膠

【前言】

粘附水凝膠在生物醫學應用中已經取得實際應用，主要由于其粘附到組織或其他生物材料表面的能力。然而，大多數粘附水凝膠不具有長期和可重復的粘附。此外，傳統的粘附水凝膠通常表現出差的機械性能，并不具備抗菌能力。因此研制一種具有超強力學性能、抗菌性能、良好生物相容性兼具的粘附水凝膠仍面臨嚴峻的挑戰。

【成果簡介】

針對以上問題，西南交通大學魯雄教授課題組受植物粘附的啟發，基于Ag-木質素納米粒子（NPs）觸發動態氧化還原兒茶酚化學，開發了堅韌、抗菌的粘附水凝膠。 Ag-木質素?NPs構建動態兒茶酚氧化還原體系，得到持久的還原-氧化環境的水凝膠網絡。該氧化還原系統連續產生兒茶酚基團，賦予水凝膠長期和可重復的粘附能力。此外，Ag-木質素NPs產生自由基并觸發水凝膠的自凝膠化，因此水凝膠能夠在室溫環境下固化。該水凝膠網絡中存在共價和非共價相互作用具有高韌性。由于兒茶酚基團和Ag-木質素NPs的殺菌能力，水凝膠還具有良好的細胞親和力和高抗菌活性。該研究概括了從貽貝到植物的兒茶酚粘附理論，并提出了基于動態植物兒茶酚化學設計堅韌和粘性水凝膠的策略。該研究成果以“Plant-Inspired Adhesive and Tough Hydrogel Based on Ag-Lignin Nanoparticles Triggered Dynamic Redox Catechol Chemistry”為題在線發表于《Nature communications》。論文第一作者為在讀博士研究生甘東林和碩士邢文思。該研究得到了國家重點研發計劃，國家自然科學基金等項目支持。

圖1植物設計策略為基于兒茶酚化學的粘附，強韌和抗菌NPs-P-PAA水凝膠。

（a）通過Ag-木質素NPs和APS之間的氧化還原反應產生自由基，引發水凝膠在周圍環境下的凝膠化。

（b）醌基-兒茶酚基團可逆反應維持動態平衡。

（c）植物啟發的粘附和堅韌水凝膠的分子結構方案。

（d）醌基自由基基團檢測的ESR譜。

（e）TEM顯微照片顯示Ag-木質素NPs的核-殼結構；插圖是Ag元素分布。

（f）HRTEM顯微照片顯示Ag-Lignin NPs的結構；插圖是Ag的高分辨率圖像。

（g）SEM顯微照片顯示水凝膠中的微纖維結構；插圖呈現典型的微纖維。

圖2水凝膠的機械性能。

（a）將0.03-NPs-P-PAA水凝膠伸長至其初始長度的26倍并在2分鐘內回復。

（b）0.03 NPs-P-PAA水凝膠的拉伸加載-卸載曲線。

（c）壓縮0.03 NPs-P-PAA水凝膠并在2分鐘內回復。

（d）0.03 NPs-P-PAA水凝膠的壓縮加載-卸載曲線。

（e）水凝膠的典型拉伸應力-應變曲線。

（f）不同水凝膠的拉伸強度和伸長率的乘積。

（g）不同水凝膠的斷裂能。

圖3?NPs-P-PAA水凝膠的粘附能力。

（a）水凝膠可粘附到各種材料表面和組織上。

（b）水凝膠反復粘附在作者的皮膚上，剝離后，未發現殘留，對皮膚無刺激。

（c）不同水凝膠與豬皮的粘合強度。

（d）0.03 NPs-P-PAA水凝膠在豬皮上重復30次的粘附循環。

（e）NPs-P-PAA水凝膠的粘附機制。

圖4水凝膠的抗菌性

（a）表皮葡萄球菌、大腸桿菌分別與水凝膠共培養1天后的溶液照片。

（b）水凝膠對表皮葡萄球菌、大腸桿菌的殺菌率。

（c）體內抗菌實驗方案。

（d）將水凝膠植入皮膚下層中7天后的照片。

（e）H＆E染色水凝膠周圍的結締組織切片。

圖5用于修復全層皮膚缺損的生物相容性NPs-P-PAA水凝膠。

（a）各種水凝膠上成纖維細胞的CLSM顯微照片。

（b）成纖維細胞在水凝膠表面增殖的MMT結果。

（c）水凝膠植入大鼠缺損皮膚的方案。

（d）傷后不同時期的傷口閉合百分比。

（e）不同水凝膠處理的傷口照片。

（f）14天后傷口切片的H＆E染色。

【小結】

本研究提出了一種基于兒茶酚化學的水凝膠，該水凝膠具有高粘附性，韌性和細胞親和力。Ag-木質素NPs可以產生自由基引發單體聚合，并可維持水凝膠內部網絡中的醌基-兒茶酚基團的氧化還原平衡。與常用的粘附水凝膠相比，該水凝膠具有以下優點：首先，水凝膠的凝膠化是由富含自由基的Ag-木質素NPs引發的，無需UV照射或熱引發。水凝膠是生物相容的并且對皮膚組織無害。其次，水凝膠具有持久、可重復的粘附性。第三，植物啟發的Ag-木質素NPs水凝膠表現出良好的細胞親和力和組織粘附性。最后，水凝膠具有抗感染能力，特別適用于皮膚傷口修復。簡而言之，這種易于制備且環保的植物靈感啟發的水凝膠說明了基于動態氧化還原兒茶酚化學的多功能性粘附水凝膠的開發策略的可行性和潛力。

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09351-2

本文由西南交通大學魯雄教授課題組供稿，材料人編輯部Alisa編輯。

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