【科研摘要】

坚韧的粘合水凝胶的发展已实现了前所未有的粘合力，可以粘附到整个身体的湿润和运动的组织表面，但是它们通常由不可降解的成分组成。最近，哈佛大学David J. Mooney教授团队通过掺入共价网络化的可降解交联剂和可水解离子交联的主链聚合物，开发了一种可降解的坚韧粘性水凝胶系列，其中含约90％的水。相关论文以题为Degradable and Removable Tough Adhesive Hydrogels发表在《Advanced Materials》上。这些新配方的机械韧性，粘合性和降解性均在加速的体外条件下以及长达16周的体内条件下进行了测试。这些可降解的硬质胶粘剂经过工程改造，具有与不可降解的硬质胶粘剂相同的机械和粘合性能，能够实现大于其初始长度20倍的拉伸，大于6 kJ m-2的断裂能和大于1000 J m-2的胶合能。根据所选的可降解交联剂，在体外加速老化条件下，所有可降解系统均会在2周内完全降解，而在体内则是数周至数月。植入1、2、4、8和16周后，所有组均观察到极佳的生物相容性，且纤维包裹最少，也没有器官毒性的迹象。按需去除胶粘剂可通过化学试剂处理而完成，该化学试剂不会对小鼠的下层皮肤组织造成损害。该系列粘合剂的广泛用途为众多体内适应症提供了基础。

【图文解析】

水凝胶的生物降解通常通过聚合物骨架的降解或交联化学键的断裂而发生，并且可能受到局部机械负荷，pH值和免疫活性的影响。在这项研究中，设计了可生物降解的硬质粘合水凝胶，具有可调节的机械性能，高强度的粘合力和可控的降解能力。通过将不可降解的丙烯酸酯官能化交联剂（N，N'-亚甲基双（丙烯酰胺），MBAA）替换为可水解或酶促可降解的类似物，或引入可降解的藻酸盐聚合物，将典型的不可降解的强韧粘合剂转变为可降解的强韧粘合剂（图1a）。所选的可水解降解的交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA），泊洛沙姆二丙烯酸酯（PoloxDA）和氧化海藻酸酯甲基丙烯酸酯（OxAlgMA）（图1b），因为引入了甲基丙烯酰基取代基使材料能够按需交联。硬质水凝胶中PEGDA和PoloxDA交联剂的降解可通过可水解裂解的酯键实现。可以通过胶原酶消化明胶来降解甲基丙烯酸明胶（GelMA），可以通过用透明质酸酶消化透明质酸来降解透明质酸甲基丙烯酸酯（HAMA）。证明了由几种可降解交联剂和聚合物合成的坚韧水凝胶的机械和粘合性能，以及在体内和体外的降解。考虑到这些粘合剂的特性，这些材料可能具有广泛的生物医学应用。

图1 设计可降解韧性胶粘剂的策略概述。

2.1具有可降解共价交联剂的坚韧水凝胶可保持较高的韧性和附着力

首先，通过调节交联剂的浓度，优化了使用各种交联剂合成的水凝胶的高韧性。 拉伸测试表明，用PEGDA，PoloxDA和GelMA制成的凝胶具有最大的材料拉伸，最大应力和断裂韧度，甚至大于与不可降解的MBAA交联的凝胶（图2a-d）。用OxAlgMA和HAMA制成的凝胶表现出明显较低的机械性能。在湿猪皮肤上的粘合性能评估表明，用PEGDA，PoloxDA和GelMA配制的水凝胶具有非常高的粘合能，类似于与MBAA形成的粘合剂（图2e），而OxAlgMA和HAMA的粘合能明显较低。

图2 具有可降解共价网络的坚韧水凝胶可保持较高的韧性和附着力。

2.2体外凝胶降解

接下来在加速老化条件下体外测试各种粘合剂的降解动力学。 在这些条件下，所有与可降解交联剂交联的坚韧水凝胶均会随着时间的流逝迅速而线性地失重，除HAMA凝胶外，所有其他凝胶均会在2周内降解。相反，如预期的那样，MBAA凝胶在这段时间内未显示出重量减轻（图2f）。

2.3可降解共价网络的体内降解和生物相容性

接下来在小鼠皮下植入模型中，将坚韧水凝胶的降解与不可降解水凝胶随时间的变化进行比较（图3a）。通过使用高频超声（HFUS）评估水凝胶厚度的变化并量化外植水凝胶的干重来评估降解程度（图3b–e）。

图3 具有可降解共价网络的坚韧水凝胶显示出可调节的降解曲线。

通过检查邻近水凝胶和皮肤以及肝脏，肾脏和脾脏组织的组织学变化，可以量化各种坚韧水凝胶的生物相容性。盲法的组织病理学家使用细胞浸润和胶囊厚度的分数来区分研究组。在所有组中，随着时间的推移观察到少量的纤维状凝胶包封（图4），在脾脏，肝脏或肾脏中均未观察到毒性迹象。

图4 具有可降解共价网络的坚韧水凝胶显示出生物相容性。

2.5添加去除剂会导致皮肤表面无损伤的分离

尽管坚韧的粘合剂会产生极强的粘合力，但对于某些用途，在降解之前按需去除粘合剂可能是有用或必要的。因此，在不可降解体系中探索了针对硬水凝胶和脱乙酰壳多糖粘合剂表面的不同去除剂的效果。最初有假设认为，强韧水凝胶的耗能功能减弱可能是降低材料性能和附着力的可行目标，因此，将坚韧水凝胶用生理学上良性的试剂处理，这些试剂可以用作钙螯合剂（柠檬酸，乙二胺四乙酸（ EDTA）），或降解藻酸盐（过氧化氢，藻酸盐裂解酶）以削弱离子网络（图5a）。如预期的那样，用这些各种试剂进行处理会降低水凝胶的机械性能（图5b）。用溶菌酶，藻酸盐裂解酶和过氧化氢处理10分钟后，粘附能显着降低（图5c）。

图5 去除剂处理降低了皮肤表面的坚韧的粘合韧性和粘合力。

参考文献：doi.org/10.1002/adma.202008553

版权声明：「水凝胶」是由专业博士（后）创办的公众号，旨在分享学习交流高分子聚合物胶体学等领域的研究进展。上述仅代表作者个人观点。如有侵权或引文不当请联系作者修正。商业转载或投稿请后台联系编辑。感谢各位关注！