水凝胶制备，超强粘附水凝胶

水凝胶制备，超强粘附水凝胶为了进一步研究超声对界面结合的影响，研究者还进行了疲劳断裂实验，并测量了界面处的疲劳阈值和粘附功。这些结果证实了在界面处存在较强的相互作用（类似于共价键），而无超声处理情况下扩散导致的相互作用通常较弱。超声诱导的微气泡状态示意图。图片来源：麦吉尔大学 [2]超声增强生物粘附的过程及通用性。图片来源：Science不同锚定剂的粘附性能与电荷密度和结构有关，比如壳聚糖纳米晶不能深入皮肤，直接施用粘附力较弱，而加上超声处理后，粘附能增加到500 J m−2，比未经超声处理的相同材料（~5 J m−2）高了两个数量级。研究者还发现，除了皮肤外，该策略还适用于其他生物组织，如颊黏膜、动脉，这种超声策略均可以显著增加水凝胶的粘附作用。超声处理通常会对体系产生热效应和机械效应，而加热并不能提高水凝胶的粘附性，因此研究者推测，机械效应是导致粘附能大大提高的原因。高速摄像机拍摄的画面证实了这一想法。在超声振

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相信很多人都遇到过下面的问题，小伤口上贴个透气创可贴，稍微出点汗就会直接滑落；那些贴的特别牢固的，又有可能刺激周围皮肤，发红发痒。这些问题其实是长期以来生物粘附技术所面临的挑战。贴不牢固的主要原因之一是生物组织的屏障效应，湿润的组织表面、皮肤致密的角质层、内脏器官表面的粘膜等表面限制了生物粘合剂的渗透和贴合，这对于基于物理相互作用（例如聚合物互穿）的生物粘合剂来说难以克服。研究人员一直在寻找能够适应人体复杂环境的生物粘合剂，尽管一些化学策略实现了高粘附力，然而粘合剂中所用试剂及与生物组织的化学反应却会带来新的问题，例如对药物递送的干扰、降解残留物以及反应副产物引发的炎症等。此外还有一些侵入性的策略，例如缝合锚定和可膨胀微针，由于会损伤生物组织，只能在极有限的情况下使用。

要知道，生物粘附技术可不仅仅用于创可贴，除了伤口管理，还可在可穿戴电子设备、生物医学植入物、再生医学和药物递送等领域大有作为。如何解决上述问题，找到一种即贴的牢固又不伤组织的简单方法，就成了科学家的研究热点。近日，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）Outi Supponen教授和加拿大麦吉尔大学Jianyu Li教授等研究者在Science 杂志上报道了一种新的生物粘附技术，他们利用超声空化作用将“锚定剂”分子推入表层生物组织以克服屏障效应，随后再施以水凝胶并发生相互作用，如此一来无需化学粘合，即可实现水凝胶和生物组织之间的超强粘附。该方法具有良好的普适性，或将为从可穿戴电子设备到药物递送等领域带来广泛的影响。

超声增强生物粘附的机理示意图。图片来源：Science [1]

整个粘附过程其实非常简单易行。在与水凝胶建立接触之前，先将锚定剂壳聚糖涂在组织（猪皮）上，然后用超声波（20 kHz）处理接触区域，随后再用聚丙烯酰胺-海藻酸盐（PAAm-alg）水凝胶贴片覆盖其上，引发锚定剂凝胶化。与没有经过超声处理的对照相比，经过超声处理，水凝胶和组织之间的粘附能提高了至少15倍，达到~1750 J m−2。这种超声增强生物粘附策略的材料适用范围比较广泛，可用的“锚定剂”除了壳聚糖（Chi），还可以使用壳聚糖纳米晶（ChsNC）、醛官能化纤维素纳米晶（CHO-CNC）或明胶；水凝胶材料也可用多种，包括双网络聚（N-异丙基丙烯酰胺）-海藻酸盐（PNIPAm-alg）水凝胶和单网络聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶。

超声增强生物粘附的过程及通用性。图片来源：Science

不同锚定剂的粘附性能与电荷密度和结构有关，比如壳聚糖纳米晶不能深入皮肤，直接施用粘附力较弱，而加上超声处理后，粘附能增加到500 J m−2，比未经超声处理的相同材料（~5 J m−2）高了两个数量级。研究者还发现，除了皮肤外，该策略还适用于其他生物组织，如颊黏膜、动脉，这种超声策略均可以显著增加水凝胶的粘附作用。

超声处理通常会对体系产生热效应和机械效应，而加热并不能提高水凝胶的粘附性，因此研究者推测，机械效应是导致粘附能大大提高的原因。高速摄像机拍摄的画面证实了这一想法。在超声振荡下，探头在溶液中形成微气泡；当微气泡破裂时，锚定剂被推动到组织基质（比如皮肤的角质层）中并锚定，并与随后的水凝胶贴片相结合。因此，随着超声源强度的增加和处理时间的延长，水凝胶和组织之间的粘附能也明显增加。

超声诱导的微气泡状态示意图。图片来源：麦吉尔大学 [2]

为了进一步研究超声对界面结合的影响，研究者还进行了疲劳断裂实验，并测量了界面处的疲劳阈值和粘附功。这些结果证实了在界面处存在较强的相互作用（类似于共价键），而无超声处理情况下扩散导致的相互作用通常较弱。

超声空化调控水凝胶的生物粘附性能。图片来源：Science

此外，研究者还发现，水凝胶于组织表面的粘附能与超声探头的直径以及与组织的距离有关。粘附能随着超声探头直径的增加而降低，当直径大于4 mm时，几乎起不到增强粘附的作用；而探头与组织的距离也影响了粘附能和粘附面积，且与理论模拟超声微气泡的效果一致。这意味着，通过控制这些参数，可以按需进行超强粘附，让应该牢固粘附的地方牢固，这在此前的生物粘附技术中很难实现。

超声增强生物粘附的空间控制。图片来源：Science

当然，该技术还具有生物安全性和有效性。啮齿动物皮肤对高强度超声波更加敏感，通过对其进行实验，几分钟内就可以在特定位置形成超强的生物粘附，且超声并未对组织造成明显的损伤或发炎。

啮齿动物的体内评估。图片来源：Science

“我们惊讶地发现，通过简单地调整超声波强度，就可以精确地控制可粘贴绷带在皮肤上的粘性”，本文一作Zhenwei Ma博士说。“超声波会产生许多微泡，这些微泡会瞬间将粘合剂推入皮肤，从而增强生物粘附性。”Outi Supponen教授说，“我们甚至可以使用理论模型来准确估计粘附所发生的位置”。这项技术或可应用于组织修复、癌症治疗和精准医学的临床应用中。Jianyu Li教授介绍道，“这种生物粘附技术在可穿戴设备、伤口管理和再生医学等方面有着巨大的发展前景。”[2]

Controlled tough bioadhesion mediated by ultrasound

Zhenwei Ma Claire Bourquard Qiman Gao Shuaibing Jiang Tristan De Iure-Grimmel Ran Huo Xuan Li Zixin He Zhen Yang Galen Yang Yixiang Wang Edmond Lam Zu-hua Gao Outi Supponen Jianyu Li

Science 2022 377 751-755. DOI: 10.1126/science.abn8699

参考文献：

[1] J. E. Sayed & M. Kamperman Ultra-sounding out a technique that sticks. Science 2022 377 707-708. DOI: 10.1126/science.abq7021

[2] Using sound and bubbles to make bandages stickier and longer lasting

https://www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/using-sound-and-bubbles-make-bandages-stickier-and-longer-lasting-340697

（本文由小希供稿）