哈佛大学开发的水凝胶粘合方法有望带来新型生物材料解决方案

这幅插图重点展示了两种水凝胶（蓝色显示）如何通过壳聚糖薄膜（橙色显示）以不同方式结合在一起。形成的粘结异常牢固，可以抵抗高张力。资料来源：Peter Allen、Ryan Allen 和 James C. Weaver。

在临床实践中，水凝胶已被用于抗病原体的治疗性给药，眼科中的眼内镜、隐形眼镜和角膜假体，组织工程和再生中的骨水泥、伤口敷料、凝血绷带和三维支架。

然而，水凝胶聚合物之间的快速强力粘附仍是一项尚未解决的需求，因为传统方法往往会在粘附时间超过预期后导致粘附力减弱，而且依赖于复杂的程序。实现聚合物的快速粘合可以带来许多新的应用，例如，可以对水凝胶的硬度进行微调，使其更好地贴合特定组织；按需封装用于医疗诊断的柔性电子器件；或为身体难以包扎的部位制作自粘性组织包裹。

现在，哈佛大学维斯生物启发工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）和哈佛大学约翰-保尔森工程与应用科学学院（John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的科学家们利用壳聚糖薄膜创造出了一种简单而多用途的方法，可以立即有效地粘合由相同或不同类型的水凝胶和其他聚合物材料制成的层。他们成功地将新方法应用于几个尚未解决的医学问题，包括组织的局部保护性冷却、血管损伤的密封，以及防止本不应相互粘连的身体内部表面发生不必要的"手术粘连"。研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

"壳聚糖薄膜具有在体内和体外有效组装、微调和保护水凝胶的能力，为创造再生医学和外科护理设备提供了许多新机会，"该研究的资深作者、Wyss 研究所创始核心成员 David Mooney 博士说，"壳聚糖薄膜的应用速度快、简便、有效，使其成为用途广泛的工具和组件，可在手术过程中通常很短的时间内完成体内组装过程，并可在制造设施中简单地制造复杂的生物材料结构。"穆尼还是 SEAS 的罗伯特-平卡斯家族生物工程学教授。

工程学的新纽带

过去几年来，穆尼在威斯研究所和SEAS的团队开发出了"强韧粘合剂"，这是一系列再生医学方法，使用可拉伸水凝胶，通过强力粘附在湿组织表面并符合组织的机械特性，促进伤口愈合和组织再生。"精确配制的韧性粘合剂和非粘性水凝胶为我们和其他研究人员提供了改善病人护理的新机会。但是，为了将它们的功能更进一步甚至更多步，我们希望能够将两种或更多水凝胶组合成更复杂的组合体，并以简单的过程快速、安全地实现这一目标，"共同第一作者、前 Wyss 研究助理 Benjamin Freedman 博士说，他与穆尼一起带头开发了几种强韧粘合剂。现有的即时粘合水凝胶或弹性体的方法有明显的缺点，因为它们依赖于有毒胶水、表面化学功能化或其他复杂的程序。

通过生物材料筛选方法，研究小组确定了完全由壳聚糖制成的桥接薄膜。壳聚糖是一种含糖聚合物，可以很容易地从贝类的甲壳素外壳中提取出来，目前已被广泛应用于商业领域。例如，它目前被用于处理种子和农业生物杀虫剂、防止酿酒过程中的腐败、自愈合涂料以及医疗伤口管理。

研究小组发现，壳聚糖薄膜通过与传统水凝胶粘合方法不同的化学和物理相互作用，实现了水凝胶快速而牢固的粘合。壳聚糖的糖链不是通过单个原子之间的电子共享（共价键）来产生新的化学键，而是通过静电作用和氢键（非共价键）迅速吸收水凝胶层之间的水分，并与水凝胶的聚合物支架缠结在一起，形成多个键。这使得水凝胶之间的粘合力大大超过传统的水凝胶粘合方法。

首次应用

为了证明他们的新方法具有广泛的潜力，研究人员把重点放在了非常不同的医疗挑战上。他们的研究表明，用壳聚糖薄膜改性的韧性粘合剂现在可以很容易地缠绕在受伤手指等圆柱形物体上，作为自粘绷带提供更好的伤口护理。由于壳聚糖键合水凝胶的含水量高，因此应用这种水凝胶还可以局部冷却下层人体皮肤，这在未来可能会成为烧伤治疗的替代疗法。

研究人员还将表面经过壳聚糖薄膜修饰的水凝胶（坚韧的凝胶）无缝地包裹在肠道、肌腱和周围神经组织上，而不与组织本身粘合。"这种方法为在手术过程中有效隔离组织提供了可能，否则会形成'纤维粘连'，有时会造成破坏性后果。"Freedman 解释说："预防纤维粘连是一项尚未满足的临床需求，而商业技术还无法充分满足这一需求。"

在另一项应用中，他们在一种坚韧的凝胶上铺设了一层薄薄的壳聚糖薄膜，这种凝胶已经作为伤口密封剂置于受伤的猪主动脉上，以增加绷带的整体强度，因为绷带暴露在血管中血液搏动的周期性机械力之下。

"戴夫-穆尼研究小组的这项研究为生物医学水凝胶设备的工程设计增添了一个新的维度，它可以为再生医学和外科医学中尚未解决的紧迫问题提供优雅的解决方案，让许多病人从中受益，"Wyss 创始董事、医学博士唐纳德-英格伯（Donald Ingber）说，他同时也是哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学朱达-福克曼（Judah Folkman）教授和 SEAS 生物启发工程汉斯约格-威斯（Hansjörg Wyss）教授。

编译自/scitechdaily