西南交通大學魯雄教授 NPG Asia Materials：仿貽貝超拉伸、自愈合、自粘附水凝膠

【引言】

水凝膠在皮膚修復、傷口敷料、傷口縫合、和可穿戴設備等多個領域具有廣泛的應用前景。然而，現有的用于組織修復的超強水凝膠大都缺乏組織粘附性、細胞親和性。制備兼具細胞親和性組織粘附性與優良力學性能的水凝膠目前仍然是一個挑戰。

【文章簡介】

來自西南交通大學的魯雄教授課題組，近日在Nature子刊《自然亞洲材料》（NPG Asia Materials, 影響因子：8.772）上發表了題為“Tough, self-healable and tissue-adhesive hydrogel with tunable multifunctionality”的文章。

【文章亮點】

作者基于仿貽貝粘附機理，開創了一種新的、通用的制備韌性水凝膠的設計策略，制備了仿貽貝超拉伸、自粘附、自愈合水凝膠。制備該水凝膠的關鍵點是，通過將含有大量酚羥基的聚多巴胺預聚體（PDA）原位復合在聚丙烯酰胺形成的彈性網絡中，形成聚多巴胺-聚丙烯酰胺水凝膠。該水凝膠具備天然生物體組織擁有的性能，特別是高拉伸和韌性，能夠承受循環負載，以及類似皮膚和肌肉組織的自愈合能力；且具有良好的細胞親和性和組織粘附性，在植入體內后能與周圍組織發生良好的整合，從而有利于組織再生。此外，該水凝膠中的聚多巴胺能夠修飾各種多功能納米顆粒，并將其引入高分子網絡中，形成具有優異性能的多功能水凝膠，如磁性自愈合超拉伸水凝膠、導電自愈合自粘附水凝膠。因此，該水凝膠的應用范圍可以被廣泛的延伸，在磁療和電療法中有潛在的應用。

【圖文導讀】

圖1超拉伸、自粘附、自愈合水凝膠設計思路

（a）水凝膠是通過兩步法形成的；多巴胺（DA）在堿性環境下氧化聚合形成 PDA；之后，聚合和交聯形成聚丙烯酰胺（PAM）網絡將氧氣隔離在外， 終止 PDA 中的酚羥基進一步被氧化。照片（1）DA 沒有預聚時，水凝膠無法形成；照片（2）DA 預聚合后，水凝膠固化；照片（3）水凝膠牢牢地粘附在作者的手臂上

（b）PDA-PAM 水凝膠的結構示意圖。水凝膠中的PAM通過共價交聯形成網絡（灰色圓圈）。（1）PDA 通過酚羥基與PAM的氨基之間的相互作用鏈接在PAM網絡上（綠色三角形）。（2）PDA之間的酚羥基 形成可逆的非共價鍵，包括π-π堆積和氫鍵。

圖 2 PDA-PAM 水凝膠的表征

（a） PDA-PAM水凝膠TOF-SIMS的橫截面掃描圖。對C3H6NO + (m/z=72) 和 C8H7NO2+（m/z=149）的分別表明PAM和PDA在PDA-PAM水凝膠中的均勻分布

（b）PDA-PAM 水凝膠TOF-SIMS二次離子質譜。m/z 72 和 149 分別代表 PAM 重復單元（C3H6NO+）和 PDA 重復單元（C8H7NO2+）；m/z 261代表PDA和PAM之間可能存在的反應。

圖 3 ?SEM圖

（a）PDA-PAM 和（b）PAM 水凝膠的SEM微觀形貌圖

圖4 PDA-PAM 水凝膠的力學性能

（a）PDA-PAM 水凝膠拉伸試驗照片

（b）不同 DA/AM含量的水凝膠的典型拉伸應力-應變曲線

（c）不同 DA/AM含量的水凝膠的最大拉伸比

（d）水凝膠在大應變（1000%和 2000%）條件下的加載-卸載循環試驗

（e）不同 DA/AM含量的水凝膠的斷裂

（f）水凝膠在打結后仍可被拉伸8倍

（g）水凝膠在壓縮后可回復

圖5 PDA-PAM 水凝膠的自愈合性能

（a）撕裂-愈合試驗

（b）拉伸-愈合-再拉伸試驗

（c）PDA-PAM 水凝膠初始和自愈合后拉伸應力-應變曲線

（d）動態流變實驗證明 PDA-PAM 水凝膠的自愈性能

圖6 PDA-PAM 水凝膠組織粘附性能評價

（a）（i）水凝膠可以緊緊粘附在作者手上，且能承重 63.94 克的裝滿水的離心管；（ii）水凝膠從手臂皮膚上剝離過程

（b）水凝膠在作者皮膚上反復剝離-粘附的照片

（c）PDA-PAM 在豬皮表面的粘附強度。

圖7 PDA-PAM 水凝膠的細胞親和性和組織修復

（a）成纖維細胞在 PDA-PAM 水凝膠上的SEM形貌

（b）MTT 法測定水凝膠上的成纖維細胞密度

（c）全皮膚缺損模型評價水凝 膠的皮膚組織再生

（d）傷口愈合面積百分比

（e）水凝膠在術后皮膚傷口愈合照片

（f）15 天后皮膚傷口的組織學評價。

圖8 基于PDA-PAM水凝膠的磁性和導電水凝膠

（a）PDA 修飾的納米顆粒摻入 PDA-PAM 水凝膠示意圖

（b）導電可拉伸自愈合水凝膠；（i）PDA 修飾前后炭黑納米顆粒的分散性；（ii）導電水凝膠聯 通的電路，LED 燈的亮度在隨水凝膠的狀態發生變化

（c）磁性水凝膠；（i）PDA 修飾前后 Fe3O4 米顆粒的分散性；（ii）水凝膠被磁鐵吸引彎曲成“S”型。

【小結】

基于仿貽貝粘附機理，采用堿性含氧環境聚合DA形成PDA聚集體，并將 其與 AM單體混合，通過自由基聚合反應形成制備了一種具備自修復、細胞親和性、 組織粘附性的超強水凝膠。該水凝膠具有與軟組織相當的超拉伸性和高斷裂韌性。PAM 網絡中的 PDA鏈使得水凝膠中的非共價鍵和共價鍵之間達到了一個良好的平衡，這是其具備韌性和自愈合性能的主要原因。良好的自愈合能力使其特別適用于修復疲勞損傷的組織。高細胞親和力和組織粘附性可以保證它能固定在周圍組織，從而促進組織再生。另外，該水凝膠可以作為通用平臺，通過加入功能型納米顆粒，使其成為具有多種功能的水凝膠，例如磁響應和電響應特性。本研究結果表明，基于非共價鍵與共價鍵聚合物形成的混合網絡制備水凝膠的方法，可以被推廣應用于制備多種特性的超強水凝膠。

【文獻鏈接】Tough, self-healable and tissue-adhesive hydrogel with tunable multifunctionality（NPG Asia Materials (2017) 9, e372; doi:10.1038/am.2017.33）

【魯雄教授簡介】

西南交通大學魯雄教授，2004年博士畢業于香港科技大學，2009年入選日本學術振興會博士后研究員（JSPS Fellow），其團隊長期致力于生物材料領域相關工作，包括生物活性陶瓷及骨組織修復、抗菌植入體表面處理、生物醫用水凝膠與組織工程支架、納米材料與藥物緩釋和生物材料理論計算模擬。相關研究成果在Biomaterials, ACS Nano, Chemistry of Materials, Small, NPG Asia Materials, ACS Appl. Mater. Interfaces, J Phys. Chem. C等期刊上共發表三大檢索收錄論文100余篇，其中以第一作者身份（通訊作者）在SCI收錄雜志上發表60余篇，論文總引用近2000次，單篇最高他人引用200余次。申請專利10余項，參與英文學術著作編寫兩章。

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