受控粘或不粘？按需-脱粘附新型水凝胶研究进展

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近年来，水凝胶因其优异的粘附性、生物相容性和抗菌性等特点，在生物材料、润滑涂层和水凝胶基传感器等领域取得了快速的发展。在大多数应用场景下，通常需要具有粘附性能的水凝胶，以满足实际的特定需求。为此，研究者们开发了多种不同类型的粘附型水凝胶，如调节微观结构的粘附型水凝胶；聚两性电解质粘附型水凝胶；仿生（贻贝、藤壶、章鱼和壁虎等）粘附型水凝胶。

然而，这些粘附大多是不可逆的，优异的粘附能力反过来又可能导致另一个难题，即在按需治疗后难以从粘附部位分离和去除，甚至可能导致二次损伤或新的感染。即使对于粘附能力较弱的水凝胶，也可能对敏感的组织造成不同程度的损伤。为此，在某些生物粘附的应用中，如何实现快速、简单且无损坏移除（即按需-脱粘附）粘附水凝胶对生物体的修复和安全至关重要。

本期EFL为大家整理了按需-脱粘附水凝胶相关的研究论文10篇供大家参考学习。希望大家能在这些按需-脱粘附的新型水凝胶文献中获取启发为自己的课题设计打开新的思路。

1. Nature communication(IF= 17.694)：用于无创心脏修复和组织粘连预防的智能粘合剂Janus水凝胶；2022.12.12

主要内容：具有不对称和可逆粘附特性的多功能水凝胶对于处理创伤去除和术后组织粘连的生物应用障碍至关重要。在此，作者开发了一种响应性可逆-不对称粘附的Janus水凝胶，它能够按需刺激触发脱离以有效修复心肌梗塞，并同步防止术后组织粘连和炎症侵入。与大多数不可逆和难以去除的粘合剂相比，这种Janus水凝胶表现出可逆的粘附能力，并且可以通过轻微的生物制剂按需非侵入性地分离。体外和体内实验表明，Janus水凝胶可以促进心肌细胞的成熟和功能，并通过减少氧化损伤和炎症反应、重建梗死区的电传导和血液供应来促进MI修复。此外，Janus水凝胶移植后没有引发继发性损伤和组织粘连。

图1 智能 Janus 粘合剂和按需可拆卸 CPAMC/PCA 水凝胶作为多功能工程心脏组织贴片(ECP)修复大鼠心肌梗塞的示意图

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35437-5

2. Advanced Materials (IF= 32.086)：一种组织粘附可控且具有生物相容性的小型水凝胶粘附机器人；2022.01.20

主要内容：近年来，利用无线小型医疗机器人实现对目标组织的微创医疗干预越来越受到关注。为了有效实施，这种机器人应该对生物组织具有很强的粘附能力，同时应该可以轻松控制分离，但这一直是具有挑战性的。为解决这个问题，作者开发了一种基于章鱼启发水凝胶粘合剂的小型软体机器人（OHA）。不同杨氏模量的水凝胶可通过防章鱼启发的图案在预加载过程中坍塌来实现强湿粘附力。在聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶的吸盘壁内引入聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶用于圆顶状突起结构，在水下提供了强大的组织附着力，同时由于其温度依赖性体积变化，可以通过温度变化轻松分离。最终证明，小型软体OHA机器人在体内运行时，由于对生物组织的强粘附和可控分离，可以有效地实现生物医学功能。这种具有可重复组织附着和分离可能性的机器人为未来具有微创医疗干预的无线软微型机器人铺平了道路。

图2 一种组织粘附可控且具有生物相容性的小型章鱼水凝胶粘合剂(OHA)机器人

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202109325

3. Science Robotics（IF=27.541）：用于攀爬机器人的电可编程粘性水凝胶；2021.04.28

主要内容：尽管粘合材料取得了显着进步，但对这些材料的附着和分离行为进行编程的能力仍然是一个挑战。在这里，作者报告了一种硼酸酯聚合物水凝胶，它可以响应温和的电刺激（电压3.0-4.5 V）在粘附和非粘附状态之间快速切换。这种行为是通过水电解诱导的硼酸酯部分的可逆裂解和重组来控制儿茶酚基团的暴露和屏蔽来实现的。通过切换电场方向，水凝胶可以反复附着在各种表面上，响应时间低至1s。这种可编程的连接/分离策略为机器人攀爬提供了另一种方法。水凝胶只需简单地粘贴到攀爬机器人的运动部件上，无需复杂的工程和形态设计。该研究为适用于智能设备的智能聚合物粘合剂的设计建立了一条有效途径，并建立了一种调节粘附力的电化学策略。

图3 TBVA水凝胶的电可编程粘附力

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abe1858

4. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（IF= 12.779）：具有可触发良性脱离的即时坚韧生物粘合剂；2020.06.2

主要内容：组织粘合剂、止血剂和组织密封剂等生物粘合剂在伤口闭合、止血和将可植入装置整合到湿组织方面比缝合线具有潜在的优势。然而，现有的生物粘合剂显示出一些局限性，包括缓慢的粘附形成、弱结合、低生物相容性、与组织的机械匹配差或缺乏可触发的良性脱离。在此，作者报告了一种生物粘合剂，它可以在各种潮湿的动态组织上形成即时的坚韧粘附，并且可以根据需要使用生物相容性触发溶液从粘附的组织中良性分离。生物粘合剂的粘附依赖于从组织表面去除界面水，然后与组织表面进行物理和共价交联。生物粘合剂的可触发分离是由触发溶液裂解生物粘合剂与组织表面的交联引起的。在大鼠模型中验证了生物粘合剂和触发溶液的体内生物相容性，并展示了生物粘合剂在离体猪模型中具有可触发良性脱离的潜在应用。

图4 即时、坚韧和可触发分离的生物粘合剂的设计和机制

原文链接：

https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2006389117

5. Science（IF= 63.714）：超声介导的受控坚韧生物粘附；2022.08.11

主要内容：坚韧的生物粘附在工程和医学中具有重要意义，但在形成和控制方面仍然具有挑战性。在此，作者报告了一种超声(US)介导的策略，以实现具有可控性和抗疲劳性的坚韧生物粘附。在没有化学反应的情况下，可以将水凝胶和猪皮肤之间的粘附能和界面疲劳阈值放大高达100倍和10倍。实验和理论模型表明，这种关键机制是US诱导的空化作用，它推动锚定引物并将其固定到组织中，从而减轻屏障效应。这种策略实现了坚韧的生物粘附、按需分离和透皮给药的空间模式。这项工作扩展了用于坚韧生物粘附的材料库，并使生物粘附技术具有高水平的可控性。

图5 坚固且通用的超声介导的坚韧生物粘附

原文链接：

https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.abn8699

6. Small（IF= 15.153）：形状可编程的分层纤维膜复合系统促进糖尿病患者伤口愈合；2022.01.17

主要内容：伤口敷料材料与周围天然组织的整合对于即时组织粘附和治疗的长期稳定性都非常重要。然而，现有临床使用的组织粘合剂基质（如氰基丙烯酸酯、Bioglue、COSEAL和纤维蛋白胶）远非理想，存在生物相容性差或粘附强度弱的问题。在此，作者开发了一种纤维膜形式的替代生物医学粘合剂，由明胶甲基丙烯酰胺(GelMA)纤维和聚丙烯酸(PAA)两种聚合物网络组成。这种纤维膜通过静电相互作用和共价键牢固地粘附在受伤的组织上。并通过将刺激响应官能团引入聚合物网络，纤维膜和组织表面之间的按需脱粘通过化学键的受激裂解实现，从而导致敷料的机械驱动。该系统结合了抗菌活性、根据伤口愈合的需要控制药物释放、具有形状可编程、牢固粘附和按需剥离生物组织的机械调制，以合理地指导慢性伤口的修复。

图6 分层复合纤维膜(HCFM)系统的制备和应用示意图

原文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202107544

7. Advanced Materials (IF= 32.086)：水凝胶与多种金属表面之间的牢固粘合、按需剥离和轻松再粘合；2019.10.10

主要内容：大多数以前报道的方法都会使水凝胶永久牢固地粘附到其他固体表面，随后对牢固粘合的部件进行按需脱粘的情况很少见。在此，作者报告了一种简单而通用的方法实现水凝胶与普通金属基材，以及它们的一些合金间的按需脱粘合再粘合。金属的表面改性和水凝胶在金属表面的化学固定是通过设计的连接分子实现的，该连接分子包含一个与金属表面结合的羧酸基团和一个与聚合物水凝胶网络化学连接的甲基丙烯酸基团。水凝胶和金属之间产生的粘附能量可达 >1000 J·m-2（与人类软骨和骨骼之间相当）。为了脱键，连接分子的化学结构用二硫化物基团修饰，它可以对谷胱甘肽(GSH)等还原剂作出反应。在连接水凝胶和金属界面的连接分子中的二硫键断裂后，可以释放坚韧的键合，这也使得能够轻松进行再加工以进一步修饰（例如，再键合）脱键金属基材。

图7 通过Linker-2在水凝胶和金属表面之间实现牢固的粘合、按需剥离和轻松的再粘合

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.201904732

8. Advanced Materials (IF= 32.086)：远程控制水下动态附着/分离和运动；2018.06.19

主要内容：尽管在模仿壁虎迷人的粘附能力方面做了大量的工作，但水下可逆粘合剂的开发长期以来一直处于滞后状态。受贻贝启发的多巴胺化学的出现为制造水下粘合剂提供了可行性；然而，对于这样一个系统，模仿壁虎脚的可逆和快速动态附着/分离机制仍未解决。为此，作者制备了一种可红外光调控的水下可逆粘附材料；通过将Fe3O4纳米粒子整合到仿壁虎脚蘑菇状纤维中（TRGA）设计出对近红外激光辐射有响应的TRGAs，实现材料在水下粘附和分离的可逆调节。还展示了该材料可以组装在水下移动设备的轨道上，实现可控运动。这为开发具有动态附着/分离能力的智能水下类壁虎运动打开了大门。

图8 温敏类壁虎胶粘剂(TRGA)的设计与制备

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.201801595

9. Advanced Materials（IF= 32.086）：光控可剥离粘合；2018.12.14

主要内容：许多研究都涉及医学和工程中用于柔软和湿润材料的粘合剂，例如软电子、生物医学设备、伤口敷料、药物输送和水凝胶离子电子等。按需分离在这些应用中也很重要。然而，从强粘附连处剥离是困难的，有时甚至是痛苦的。在此，作者报道了一种实现强附着力和光触发易分离的方法。将聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶的表面涂上聚丙烯酸(PAA)的水溶液，等待一段时间让PAA链扩散到PAAm中形成互穿网络。然后，在其表面涂上Fe3+和柠檬酸的水溶液，并将另一块水凝胶压在上面，使PAA 链上的羧基和Fe3+形成配位交联，从而实现水凝胶间的强粘附。对于按需分离，将粘附水凝胶暴露在紫外线（365nm）下几分钟，使Fe3+离子还原为Fe2+离子，使配位作用减弱，PAA网络解离，实现光剥离粘合。

图9 两片聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶的光可分离粘附

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.201806948

10. ACS Appl. Mater. Interfaces（IF= 10.383）：用于伤口愈合的自愈和可注射羧甲基壳聚糖水凝胶敷料；2021.05.17

主要内容：伤口敷料对于修复受损皮肤和重建其功能非常重要。用于治疗的伤口敷料应经常更换，以保证其治疗效果。为此，作者构建了一种具有自愈特性的新型可注射羧甲基壳聚糖(CMCh)水凝胶伤口敷料。首先，CMCh在碱/尿素水溶液中溶解均匀。随后，引入Fe3+和Al3+与CMCh形成配位键，实现超快凝胶化过程。由于配位键的动态和可逆特性，水凝胶表现出自愈、自适应和热响应能力。此外，由于CMCh上的氨基与SO42-之间的相互作用，水凝胶会发生相分离，可以无痛地从皮肤上剥离，几乎没有残留物。所得水凝胶创面敷料在敷料更新时可避免二次损伤，促进创面愈合。

图10 CMCh-Fe 3.0–1.0水凝胶的粘附性能，流变性能及可控分离

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c02089

总结

生物粘附型水凝胶的应用范围已经扩大到包括可穿戴电子、精准医学、心血管外科和癌症治疗等领域。可控粘附在生物组织工程领域中的重要性也越来越突出，在研究过程中，可根据生物组织中的某些物质的化学性质设计具有一定响应性（温度、pH和酶等）的粘附可控型水凝胶，以最大程度的降低可能需要去除粘附水凝胶的修复场景下的组织损伤。

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