西南交通大学鲁雄教授 NPG Asia Materials：仿贻贝超拉伸、自愈合、自粘附水凝胶

【引言】

水凝胶在皮肤修复、伤口敷料、伤口缝合、和可穿戴设备等多个领域具有广泛的应用前景。然而，现有的用于组织修复的超强水凝胶大都缺乏组织粘附性、细胞亲和性。制备兼具细胞亲和性组织粘附性与优良力学性能的水凝胶目前仍然是一个挑战。

【文章简介】

来自西南交通大学的鲁雄教授课题组，近日在Nature子刊《自然亚洲材料》（NPG Asia Materials, 影响因子：8.772）上发表了题为“Tough, self-healable and tissue-adhesive hydrogel with tunable multifunctionality”的文章。

【文章亮点】

作者基于仿贻贝粘附机理，开创了一种新的、通用的制备韧性水凝胶的设计策略，制备了仿贻贝超拉伸、自粘附、自愈合水凝胶。制备该水凝胶的关键点是，通过将含有大量酚羟基的聚多巴胺预聚体（PDA）原位复合在聚丙烯酰胺形成的弹性网络中，形成聚多巴胺-聚丙烯酰胺水凝胶。该水凝胶具备天然生物体组织拥有的性能，特别是高拉伸和韧性，能够承受循环负载，以及类似皮肤和肌肉组织的自愈合能力；且具有良好的细胞亲和性和组织粘附性，在植入体内后能与周围组织发生良好的整合，从而有利于组织再生。此外，该水凝胶中的聚多巴胺能够修饰各种多功能纳米颗粒，并将其引入高分子网络中，形成具有优异性能的多功能水凝胶，如磁性自愈合超拉伸水凝胶、导电自愈合自粘附水凝胶。因此，该水凝胶的应用范围可以被广泛的延伸，在磁疗和电疗法中有潜在的应用。

【图文导读】

图1超拉伸、自粘附、自愈合水凝胶设计思路

（a）水凝胶是通过两步法形成的；多巴胺（DA）在碱性环境下氧化聚合形成 PDA；之后，聚合和交联形成聚丙烯酰胺（PAM）网络将氧气隔离在外， 终止 PDA 中的酚羟基进一步被氧化。照片（1）DA 没有预聚时，水凝胶无法形成；照片（2）DA 预聚合后，水凝胶固化；照片（3）水凝胶牢牢地粘附在作者的手臂上

（b）PDA-PAM 水凝胶的结构示意图。水凝胶中的PAM通过共价交联形成网络（灰色圆圈）。（1）PDA 通过酚羟基与PAM的氨基之间的相互作用链接在PAM网络上（绿色三角形）。（2）PDA之间的酚羟基 形成可逆的非共价键，包括π-π堆积和氢键。

图 2 PDA-PAM 水凝胶的表征

（a） PDA-PAM水凝胶TOF-SIMS的横截面扫描图。对C3H6NO + (m/z=72) 和 C8H7NO2+（m/z=149）的分别表明PAM和PDA在PDA-PAM水凝胶中的均匀分布

（b）PDA-PAM 水凝胶TOF-SIMS二次离子质谱。m/z 72 和 149 分别代表 PAM 重复单元（C3H6NO+）和 PDA 重复单元（C8H7NO2+）；m/z 261代表PDA和PAM之间可能存在的反应。

图 3  SEM图

（a）PDA-PAM 和（b）PAM 水凝胶的SEM微观形貌图

图4 PDA-PAM 水凝胶的力学性能

（a）PDA-PAM 水凝胶拉伸试验照片

（b）不同 DA/AM含量的水凝胶的典型拉伸应力-应变曲线

（c）不同 DA/AM含量的水凝胶的最大拉伸比

（d）水凝胶在大应变（1000%和 2000%）条件下的加载-卸载循环试验

（e）不同 DA/AM含量的水凝胶的断裂

（f）水凝胶在打结后仍可被拉伸8倍

（g）水凝胶在压缩后可回复

图5 PDA-PAM 水凝胶的自愈合性能

（a）撕裂-愈合试验

（b）拉伸-愈合-再拉伸试验

（c）PDA-PAM 水凝胶初始和自愈合后拉伸应力-应变曲线

（d）动态流变实验证明 PDA-PAM 水凝胶的自愈性能

图6 PDA-PAM 水凝胶组织粘附性能评价

（a）（i）水凝胶可以紧紧粘附在作者手上，且能承重 63.94 克的装满水的离心管；（ii）水凝胶从手臂皮肤上剥离过程

（b）水凝胶在作者皮肤上反复剥离-粘附的照片

（c）PDA-PAM 在猪皮表面的粘附强度。

图7 PDA-PAM 水凝胶的细胞亲和性和组织修复

（a）成纤维细胞在 PDA-PAM 水凝胶上的SEM形貌

（b）MTT 法测定水凝胶上的成纤维细胞密度

（c）全皮肤缺损模型评价水凝 胶的皮肤组织再生

（d）伤口愈合面积百分比

（e）水凝胶在术后皮肤伤口愈合照片

（f）15 天后皮肤伤口的组织学评价。

图8 基于PDA-PAM水凝胶的磁性和导电水凝胶

（a）PDA 修饰的纳米颗粒掺入 PDA-PAM 水凝胶示意图

（b）导电可拉伸自愈合水凝胶；（i）PDA 修饰前后炭黑纳米颗粒的分散性；（ii）导电水凝胶联 通的电路，LED 灯的亮度在随水凝胶的状态发生变化

（c）磁性水凝胶；（i）PDA 修饰前后 Fe3O4 米颗粒的分散性；（ii）水凝胶被磁铁吸引弯曲成“S”型。

【小结】

基于仿贻贝粘附机理，采用碱性含氧环境聚合DA形成PDA聚集体，并将 其与 AM单体混合，通过自由基聚合反应形成制备了一种具备自修复、细胞亲和性、 组织粘附性的超强水凝胶。该水凝胶具有与软组织相当的超拉伸性和高断裂韧性。PAM 网络中的 PDA链使得水凝胶中的非共价键和共价键之间达到了一个良好的平衡，这是其具备韧性和自愈合性能的主要原因。良好的自愈合能力使其特别适用于修复疲劳损伤的组织。高细胞亲和力和组织粘附性可以保证它能固定在周围组织，从而促进组织再生。另外，该水凝胶可以作为通用平台，通过加入功能型纳米颗粒，使其成为具有多种功能的水凝胶，例如磁响应和电响应特性。本研究结果表明，基于非共价键与共价键聚合物形成的混合网络制备水凝胶的方法，可以被推广应用于制备多种特性的超强水凝胶。

【文献链接】Tough, self-healable and tissue-adhesive hydrogel with tunable multifunctionality（NPG Asia Materials (2017) 9, e372; doi:10.1038/am.2017.33）

【鲁雄教授简介】

西南交通大学鲁雄教授，2004年博士毕业于香港科技大学，2009年入选日本学术振兴会博士后研究员（JSPS Fellow），其团队长期致力于生物材料领域相关工作，包括生物活性陶瓷及骨组织修复、抗菌植入体表面处理、生物医用水凝胶与组织工程支架、纳米材料与药物缓释和生物材料理论计算模拟。相关研究成果在Biomaterials, ACS Nano, Chemistry of Materials, Small, NPG Asia Materials, ACS Appl. Mater. Interfaces, J Phys. Chem. C等期刊上共发表三大检索收录论文100余篇，其中以第一作者身份（通讯作者）在SCI收录杂志上发表60余篇，论文总引用近2000次，单篇最高他人引用200余次。申请专利10余项，参与英文学术著作编写两章。

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