顆粒在線訊：水凝膠作為一種高含水量的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)，具有與組織相似的濕軟性、物理化學(xué)性質(zhì)可調(diào)性及功能化潛力，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，常見的應(yīng)用有醫(yī)療貼片、組織密封劑、藥物載體和柔性電子設(shè)備等，在這些應(yīng)用中，水凝膠的黏附性十分重要。生物組織往往柔軟、可移動、容易損壞，不利于構(gòu)建醫(yī)用水凝膠粘合劑，不過，自然界中的生物智慧為研究者們克服上述挑戰(zhàn)提供了許多靈感，如章魚、壁虎、貽貝。日前，香港理工大學(xué)賴溥祥教授和復(fù)旦大學(xué)商珞然研究員對生物粘附策略進(jìn)行了系統(tǒng)性概述，將其分為結(jié)構(gòu)相關(guān)和分子相關(guān)兩大類，并介紹了受其啟發(fā)的醫(yī)用粘合劑水凝膠的相關(guān)設(shè)計(jì)，為生物醫(yī)藥領(lǐng)域后續(xù)的創(chuàng)新性研究提供系統(tǒng)的指導(dǎo)。該綜述以“Bio-inspired adhesive hydrogel for biomedicine-principles and design strategies”發(fā)表在《Smart Medicine》，并被選為創(chuàng)刊號內(nèi)封面。

文章要點(diǎn)：

一、基于結(jié)構(gòu)的黏附策略

自然界中，在生物粘附器官的表面上已經(jīng)進(jìn)化出了各種與結(jié)構(gòu)相關(guān)的黏附方式，根據(jù)粘附是否來自界面，以及是否與流體介質(zhì)有關(guān)，基于結(jié)構(gòu)的生物粘附策略主要分為三類：

（1）界面相互作用相關(guān)：通過有序結(jié)構(gòu)增強(qiáng)界面間的機(jī)械互鎖或范德華力。自然界中靠機(jī)械互鎖黏附的生物有蜉蝣幼蟲、棘頭蟲等，機(jī)械互鎖策略啟發(fā)了許多醫(yī)用粘性水凝膠的構(gòu)建，主要是微針貼片。另一種直接的界面相互作用是由一些爬行動物和昆蟲的分級毛狀結(jié)構(gòu)提供的范德華力，如壁虎腳趾。層級結(jié)構(gòu)的存在使生物表面能更好地匹配被粘附表面的粗糙度，增加有效接觸面積，并產(chǎn)生相當(dāng)大的范德華力?；诒诨⒌膯l(fā)，粘合劑結(jié)構(gòu)被抽象為各種柱陣列，通常通過模板法制備。

（2）界面流體力學(xué)相關(guān)：借助有序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生毛細(xì)管力或Stefan粘附力，典型的例子有樹蛙、喉盤魚和蒼蠅，它們的粘附器官通常具有特殊的微納米陣列結(jié)構(gòu)和粘液腺，液體會在含有特殊結(jié)構(gòu)的界面上形成許多液橋，提供基于毛細(xì)管力和Stefan粘附的粘附力?；谶@類結(jié)構(gòu)的仿生主要在兩個方面——溝槽圖案對界面水的排水效應(yīng)和粘性膠存在時陣列產(chǎn)生的毛細(xì)管力和Stefan粘附力。

（3）負(fù)壓相關(guān)：通常基于吸盤式結(jié)構(gòu)，如章魚吸盤、蝸牛腳。有趣的是，負(fù)壓是一種非界面效應(yīng)，它并不是來自于粘附發(fā)生的界面，而是發(fā)生在負(fù)壓結(jié)構(gòu)與外部流體之間的界面上，然后傳遞到黏附界面處，粘附器官表面常見的一些微/納米結(jié)構(gòu)則具有加強(qiáng)密封和增加摩擦的作用。通過模板法、3D打印等方式，研究者們設(shè)計(jì)和制備了各種類型的吸盤或空腔結(jié)構(gòu)的水凝膠。

值得一提的是，在自然界中，特別是在水下，每個結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的粘附機(jī)制并不是單獨(dú)出現(xiàn)的。例如，章魚吸盤的粘附實(shí)際上涉及多種機(jī)制，包括毛細(xì)作用、摩擦力和負(fù)壓，而毛細(xì)管力對壁虎腳趾粘附行為的貢獻(xiàn)仍存在爭議，本篇綜述只將特定的結(jié)構(gòu)與其主要的相關(guān)作用聯(lián)系起來。

二、基于分子的粘附策略

根據(jù)涉及的分子尺度和相應(yīng)特征，基于分子的粘附策略主要分為四類：

（1）粘性基團(tuán)：常見的黏附基團(tuán)有貽貝粘附時的鄰苯二酚、細(xì)菌黏附時帶電的疏水基團(tuán)，這種粘附通常是非特異性的，所以具有類似基團(tuán)的材料可以粘附在許多表面上。含有鄰苯二酚類基團(tuán)的小分子，如多巴胺和單寧酸，被廣泛引入受貽貝啟發(fā)的人工水凝膠粘合劑中。此外，各種微生物開發(fā)出的一系列通用的非特異性粘附素引起的黏附也啟發(fā)了一系列仿生設(shè)計(jì)。

（2）互補(bǔ)配對：具有特異性，在生物體中主要表現(xiàn)為受體與配體的相互作用和堿基的互補(bǔ)配對，受此啟發(fā)的水凝膠傾向于粘附在特定表面上。細(xì)胞對細(xì)胞或底物的特異性粘附是由多種受體家族介導(dǎo)的，如免疫球蛋白超家族、鈣粘蛋白和被廣泛研究的整合素，受這些效應(yīng)啟發(fā)，將特定的細(xì)胞粘附分子或碎片引入材料中是促進(jìn)細(xì)胞粘附的一種有效手段。另一種有趣的生物互補(bǔ)配對效應(yīng)發(fā)生在堿基中，目前，已有許多研究將堿基引發(fā)的粘附應(yīng)用于水凝膠中。

（3）分子-網(wǎng)絡(luò)相互作用：主要包括纏繞和拓?fù)湔掣?，物理上都可以發(fā)生在沒有任何官能團(tuán)的界面上。纏繞是指聚合物鏈在兩個網(wǎng)絡(luò)的界面上擴(kuò)散，并與兩個網(wǎng)絡(luò)物理糾纏，即“無線縫合”。拓?fù)湔掣絼t是由聚合物鏈在界面上擴(kuò)散、原位交聯(lián)后，形成第三個網(wǎng)絡(luò)并與之前的兩個網(wǎng)絡(luò)糾纏在一起形成的。人工粘附水凝膠的纏繞策略是利用大分子在界面上直接擴(kuò)散，也有利用納米材料獲得具有豐富纏結(jié)和強(qiáng)附著力的水凝膠的相關(guān)研究。此外，利用超聲波或電場，可以實(shí)現(xiàn)對聚合物和組織基質(zhì)的可控纏繞。

（4）相行為：與粘附相關(guān)的相行為包括相分離（主要是凝聚作用）和相變（凝固和礦化）。凝聚是指凝聚物從平衡相中分離出來的相分離作用，如靜電力、氫鍵、疏水相互作用等。凝聚作用使粘合劑不易分散在外部液體中，因此在水下粘附中起著重要的輔助作用。這一過程還伴隨著凝固，即粘合劑發(fā)生液固相變，使粘附牢固。生物礦化則是指生物在離子影響下產(chǎn)生生物礦物質(zhì)的過程。受沙堡蠕蟲和貽貝行為的啟發(fā)，研究者們設(shè)計(jì)了各種在水相中穩(wěn)定且不分散的水凝膠粘合劑。

值得注意的是，受生物啟發(fā)的粘附策略可以在多個層次上納入理論模型，如在一些受生物礦化啟發(fā)的策略中，界面產(chǎn)生的無機(jī)粒子以一種類似拓?fù)湔掣降姆绞脚c兩側(cè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)合。此外，將粘附理論與生物技術(shù)、細(xì)胞負(fù)載的“活”水凝膠的黏附相結(jié)合，雖然豐富了仿生黏附領(lǐng)域，但仍需繼續(xù)努力。

來源：高分子科學(xué)前沿