引言

具有多功能优势的可降解水凝胶粘合剂有望成为止血剂、手术缝合线和伤口敷料的候选材料。在这项研究中，水凝胶粘合剂由来自自然资源的儿茶酚共轭明胶、铁离子 (Fe³⁺) 和合成聚合物构成。具体而言，后者是通过环状乙烯酮缩醛单体5,6-苯并-2-亚甲基-1,3-二氧杂环戊烷与N-(2-乙基对甲苯磺酸)马来酰亚胺的自由基开环共聚制备的。通过在主链中引入酯键，并与聚合物中的季铵盐侧链结合，表现出优异的降解性和抗菌性。值得注意的是，将合成聚合物掺杂到 3,4-二羟基苯乙酸改性明胶网络中形成半互穿聚合物网络，可有效提高制备的水凝胶粘合剂的刚性、组织粘附和抗菌性能。此外，儿茶酚和 Fe³⁺ 之间配位相互作用的非共价键有助于开发的水凝胶粘合剂的快速自愈。这些水凝胶粘合剂具有多种优点，包括可降解、增强组织粘附、优异的自愈性、良好的细胞相容性和抗菌性能，显示出在生物医学领域作为组织粘合剂的巨大潜力。

暨南大学HaiwangLai,武汉大学YingshanZhou，澳大利亚国立大学PuXiao（通讯作者）课题组，提出了由来自自然资源的儿茶酚共轭明胶、铁离子 (Fe³⁺) 和合成聚合物构成的水凝胶粘合剂。相关成果以“Degradable Hydrogel Adhesives with Enhanced Tissue Adhesion, Superior Self-healing, Cytocompatibility and Antibacterial Property”为题发表在《Advanced Healthcare Materials》上。

图文导读

图 1.合成方案

(a) DOPAC 改性明胶 (G)、(b) 季铵阳离子官能化可降解共聚物 (P) 和 (c) 水凝胶粘合剂 (GxFyPz) 的合成方案。

用偶联剂在温和条件下实现了 DOPAC 对明胶的修饰（图 1a）并通过透析纯化。 DOPAC 功能化明胶中的结合位点（表示为 G）由 1 H NMR 光谱确定。在 G 中也观察到属于邻苯二酚基团特征峰的紫外-可见光谱（图 2a）中 280 nm 处的吸光度。具体而言，DOPAC 的含量通过标准曲线计算为 5.3 wt%。由于 G 中的儿茶酚基团与 Fe³⁺ 离子（在以下讨论中表示为 F）的络合能力以及 P 与 G 形成氢键的能力，可以通过将这三种物质在 PBS 溶液中混合来制备水凝胶粘合剂。图 1c 描绘了水凝胶的形成，根据每种成分的浓度，将其表示为 GxFyPz。

图 2. 紫外-可见光谱及FT-IR 光谱

(a) 明胶、DOPAC、G 和 G₁₀F_0.05 的紫外-可见光谱。  (b) G 和 G₁₀F_0.05P_0.1 的 FT-IR 光谱。

图 2a 中描绘的 UV-vis 光谱证实了 G 与 Fe³⁺ 的配位。具体而言，G₁₀F_0.05曲线上的峰 I 和 II 分别表明存在三-儿茶酚-Fe³⁺ 和双-儿茶酚-Fe³⁺复合物。在 395 nm 处没有出现峰，表明儿茶酚基团氧化为醌类受到抑制。此外，还使用FT-IR 分析了 G₁₀F_0.05P_0.1，如图 2b 所示。3280 cm^-1 和 1537 cm^-1 处的峰分别归属于明胶的酰胺 N-H 拉伸和弯曲振动。1662 cm^-1处的强峰归因于明胶的酰胺 C=O 伸缩振动和 P 的酯羰基 C=O 伸缩振动，与 1703 cm^-1 处的波数相比，由于与 Fe³⁺ 的配位。在 2916 cm^-1 和 1436 cm^-1处的峰与 P 中亚甲基和甲基的 C-H 伸缩振动有关。

图 3. GxFy 和 GxFyP_0.1的流变性能

(a) G₁₀FyP_0.1 和 G₁₀F_0.05 的应力幅扫描模式。  (b) G₅FyP_0.1和 G₅F_0.05的应力幅度扫描模式。  (c) G₁₀FyP_0.1 和 G₁₀F_0.05 的频率幅度扫描模式。  (d) G₅FyP_0.1和 G₅F_0.05 的频率幅度扫描模式。  (e) G₁₀F_0.05P_0.1的交替应力幅扫描模式。  (f) G₁₀F_0.05P_0.1的剪切稀化试验。

进行了四种模式来研究制备的水凝胶粘合剂的流变性能，如图 3a 和 3b 所示，应力幅度扫描模式揭示了水凝胶的线性粘弹性区域。有趣的是，存储GxFyP_0.1 的 (G') 和损失 (G'') 模量高于相应的 GxFy，这表明基于 P 的溶解性和功能性从而可以添加合适浓度的 P 可以增强水凝胶的刚性。这种现象可以归因于 P 主链中苯环的存在。此外，G₁₀F_0.10P_0.1 的 G’高于 G₁₀F_0.05P_0.1，这表明适度增加 Fe³⁺ 浓度可以通过形成更多的邻苯二酚-Fe³⁺络合物和增强交联度来提高刚性。然而，G₁₀F_0.05P_0.1 表现出比 G₁₀F_0.10P_0.1 更好的抗变形性能，因为 G₁₀F_0.05P_0.1 的 G' 和 G'' 的交点出现在 10860 Pa（应力）而 G₁₀F_0.10P_0.1 的值为 3237 Pa（应力）（图 3a）。同样，在变形前，G₅F_0.05P_0.1 可以承受比 G₅F_0.10P_0.1（2595 Pa，图 3b）更高的应力（7065 Pa，图 3b）。此外，G10FyP0.1的模量高于G₅FyP_0.1，说明适当增加明胶含量有助于改善力学性能。

频率扫描模式进一步用于所有生产的粘合剂，结果绘制在图 3c 和 3d 中。如图所示，在频率上 G' 总是高于 G所有粘合剂的范围从 0.1 到 100 rad s^-1，证实了弹性模量在线性粘弹性区域占主导地位，粘合剂表现为固体状水凝胶。坐标非共价键导致动态可逆网络，其中水凝胶的模量与频率相关，可以在低频松弛并在高频时变得拉伸。由于G₁₀F_0.05P_0.1在应力幅度扫描模式下表现出最好的抗变形特性，因此在交替应力幅度扫描模式下进行了研究以测试其自愈性能（图3e）。简而言之，选择 36 Pa（远低于图 3a 中 G₁₀F_0.05P_0.1 的 G' 和 G'' 的交点）作为最小应力，以保持水凝胶保持在线性粘弹性区域，14000 Pa（远高于交点）在图 3a) 中被选为最大压力以完全破坏网络。施加最大应力时，G’值从 3060 Pa 显着下降到 200 Pa，低于 G’’。一旦应力降低到 36 Pa，G' 值就会恢复到原来的状态。此外，G₁₀F_0.05P_0.1 在剪切速率范围为 0.1 至 1000 s^-1 时表现出剪切稀化行为（图 3f），这表明 G₁₀F_0.05P_0.1 可用作可注射水凝胶。

图 4.黏附及爆破压力

(a) G₁₀F_0.05P_0.1和 G₁₀F_0.05对猪皮的粘附强度和 (b) 爆破压力。

儿茶酚基团和多功能底物之间动态可逆非共价键的形成可以增强对组织的粘附。同时，组织上儿茶酚基团与亲核试剂之间的氢键和共价键表面（例如氨基和硫醇基团）也提供了强大的组织粘附，如搭接剪切研究所示（图 4a），发现P的存在对水凝胶的粘附强度起关键作用。与 G₁₀F_0.05 (1.81 ± 0.18 kPa)相比，G₁₀F_0.05P_0.1的粘附强度大大增加到 3.98 ± 0.63kPa，表明通过加入 P 大大提高了组织粘附（图 4a）。这可以归因于P在水凝胶中的互穿可以降低水含量并增加半IPN中组分的相互作用，从而有效地改善组织粘附。图4b 所示，G₁₀F_0.05 的爆破压力值为 1.05±0.18 kPa，而 G₁₀F_0.05P_0.1 的爆破压力高达 1.93±0.04 kPa，具有更强的抗爆破能力。这可以归因于这样一个事实，即与没有 P 的水凝胶相比，有 P 的制备的水凝胶与组织基质之间可以形成更多的氢键。另一方面，G₁₀F_0.05P_0.1 形成了一个更复杂的半 IPN，而不是 G₁₀F_0.05 的单一网络，并且半 IPN 在 P 掺杂的情况下表现出优异的组织密封能力。结果与力学一致在流变学研究中观察到的特性，并证实 G₁₀F_0.05P_0.1 提高的刚度也致力于理想的空气密封强度。

图 5.溶胀比及降解率

(a) G₁₀F_0.05P_0.1和 G₁₀F_0.05在 pH 7.4 和 37 ℃下的溶胀比。  (b) G₁₀F_0.05P_0.1在 pH 7.4) 和 pH 9.0 在环境温度下的降解。

当置于潮湿环境中时，粘性水凝胶的机械强度大大减弱，并且水凝胶表现出溶胀行为。在图 5a 中，G₁₀F_0.05P_0.1 和 G₁₀F_0.05 在开始的 8 小时内表现出快速溶胀行为。值得注意的是，G₁₀F_0.05P_0.1(550%) 的溶胀率远低于 G₁₀F_0.05(945%)，因为 P 掺杂导致较低的流体力学自由体积吸收水分子，这表明前者可能更适用于生物材料，因为它降低了有害神经压迫和周围组织损伤等医疗风险。随后，G₁₀F_0.05P_0.1 在 37 ℃ 108 h 后略微消胀。这可能是由于 P 的水解导致了 G₁₀F_0.05P_0.1 的膨松结构和消溶胀行为。可降解性对于水凝胶粘合剂的组织工程至关重要，因为它可以被再生组织替代。如图 5b 所示，G₁₀F_0.05P_0.1 开发了一个pH 7.4 和 pH 9.0 的时间依赖性体重减轻趋势。此外，在 pH 值为 9.0 时降解速度加快（168 小时后重量损失约 42%）。这可能是因为P在碱性条件下容易降解，从而削弱了网络，导致G₁₀F_0.05P_0.1的崩解加速。

图 6.细胞活力评估

(a) 不同浓度（75、150、300、600、1200 μg/mL）磷处理 HUVEC 细胞系后的细胞活力。  (b) 用 G₁₀F_0.05、G₁₀F_0.05P_0.1、G₅F_0.05 和 G₅F_0.05P_0.1(0.1 g/mL) 针对 HUVEC 细胞系处理后的细胞活力。数据显示作为平均值±标准偏差（n = 3）。统计显着性是通过单向方差分析和 Tukey的多重比较检验计算的（*p<0.05，ns-不显着）。

孵育 24 小时后，Cell Counting Kit-8 (CCK8) 测定阐明了 P（75、150、300、600 和 1200 μg/mL）对人脐静脉内皮细胞 (HUVEC) 的非细胞毒性。细胞活力高达 90%，与对照相比没有统计学上的显着差异（图 6a）。此外，虽然G₁₀F_0.05和G₁₀F_0.05P_0.1介导的HUVEC细胞存活率显示出统计学显着差异（p＜0.05），但仍达到81%，高于70%，几乎没有细胞毒性（图6b），根据国际标准 ISO 10993-5。同时，G₅F_0.05 和 G₅F_0.05P_0.1观察到与阴性对照没有显着差异，也表明对 HUVEC 没有细胞毒性。这些结果表明P、GxF_0.05和GxF_0.05P_0.1表现出良好的细胞相容性。

图 7.抗菌性能评估

(a) 大肠杆菌和 (d) 金黄色葡萄球菌作为对照。  (b) G₁₀F_0.05和 (c) G₁₀F_0.05P_0.1琼脂平板对抗大肠杆菌。  (e) G₁₀F_0.05 和 (f) G₁₀F_0.05P_0.1琼脂平板对抗金黄色葡萄球菌。  (g) G₁₀F_0.05 和 G₁₀F_0.05P_0.1 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌定量分析。通过双尾学生 t 检验计算统计显着性。误差条显示为平均值 ± 标准偏差。  （n = 3，*p<0.05，ns-不显着）

作为单细胞机会性微生物，革兰氏阴性（如大肠杆菌）和革兰氏阳性（如金黄色葡萄球菌）致病菌对人类健康构成威胁，如细菌性肺炎、脑膜炎、菌血症等。  G₁₀F_0.05和G₁₀F_0.05P_0.1的抗菌性能通过抑菌圈法进行评估，其中水凝胶单独铺在目标细菌上并观察24小时，然后与对照组进行比较（图7）。对于大肠杆菌，G₁₀F_0.05P_0.1（14.83 mm，图 7c）比 G₁₀F_0.05（9.74 mm，图 7b）在抑制细菌生长方面明显更有效，这证明添加 P 增强了抗菌性能。另一方面，G₁₀F_0.05 和 G₁₀F_0.05P_0.1 在琼脂平板上都产生了明显的抑制区，这意味着它们对金黄色葡萄球菌具有高选择性，平均宽度分别为 13.14 mm（图 7e）和 16.93 mm（图 7f）。为此，含有 P 的水凝胶直接接触细菌，通过静电相互作用导致细菌膜破裂，这证明了 G₁₀F_0.05P_0.1 作为抗菌材料的潜力。G₁₀F_0.05P_0.1是一种含有P的阳离子水凝胶粘合剂，P是一种以苯基和QAS为特征的阳离子物质。P 中相邻的阳离子-芳香族序列有助于 G₁₀F_0.05P_0.1 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有优异的抗菌性能。

小结

总之，通过掺杂可降解材料制备了具有可降解性、优异的粘附性、可恢复性、刚性、细胞相容性和抗菌性的水凝胶粘合剂。合成聚合物（来自 BMDO 和 MaOTs 的交替共聚）与 QAS 悬垂物进入儿茶酚基团改性的明胶网络。由于线性聚合物的存在降低了水含量并增加了分子间相互作用，所得的半 IPN 基水凝胶表现出增强的组织粘附和气封强度。此外，合成聚合物在主链中包含苯基，这为水凝胶提供了良好的稳定性和刚性。此外，水凝胶粘合剂表现出可从塌陷状态快速恢复的理想自愈特性。开发具有多种优点的多功能水凝胶粘合剂的方法为生物医学应用开辟了新途径。

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