科學(xué)家利用貽貝的粘附能力作為優(yōu)化水凝膠機(jī)械性能的模型

水凝膠無處不在。它們是親水聚合物，可以吸水和保水，可以在日常消費(fèi)品中找到，例如軟性隱形眼鏡、一次性尿布、某些食品，甚至農(nóng)業(yè)應(yīng)用中。由于它們具有高度的生物相容性以及最終降解和重新吸收到體內(nèi)的能力，它們?cè)诙喾N醫(yī)學(xué)應(yīng)用中也非常有用。

這些特性使水凝膠能夠模擬活組織以進(jìn)行組織置換或再生。這些應(yīng)用中最有用的一種是用于愈合傷口。水凝膠是實(shí)現(xiàn)此目的的理想選擇，因?yàn)樗鼈兡軌虮癫⑿纬沙睗窈椭С中缘沫h(huán)境。這促進(jìn)了有利于傷口愈合的過程，例如血管形成、死亡組織的分解、免疫細(xì)胞的激活、防止活細(xì)胞和組織死亡，甚至減輕疼痛。

天然水凝膠，特別是明膠甲基丙烯酰 (GelMA) 水凝膠，由于其生物安全性和卓越的生物相容性而被用于傷口愈合。但是它們的使用受到它們固有的較差機(jī)械性能的阻礙，例如有限的拉伸性、相對(duì)脆性和不靈活，以及它們無法粘附在組織表面上。為了改進(jìn)這些特性，已經(jīng)嘗試了制備方法和組分的變化。

制備 GelMA 水凝膠時(shí)，通過將明膠混合并溶解在水中制成明膠溶液。這導(dǎo)致明膠聚合物鏈在水中分散。然后將一種稱為光引發(fā)劑的化學(xué)物質(zhì)添加到溶液中，使聚合物鏈變得粘稠，并使它們彼此粘合。暴露在紫外線下會(huì)激活光引發(fā)劑，并且聚合物鏈會(huì)相互交聯(lián)以形成網(wǎng)絡(luò)。水分子進(jìn)入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，拉伸鏈條并鎖在其中;這說明了水凝膠的吸收能力，并且是凝膠化或凝固發(fā)生的點(diǎn)。

這種凝膠的特性可以通過在紫外線照射之前添加與聚合物鏈結(jié)合的化學(xué)物質(zhì)來改變，或者可以改變紫外線參數(shù)本身來調(diào)整凝膠的特性。在以前的嘗試中，已經(jīng)對(duì)這些修改中的一些進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以改善 GelMA 的物理特性。

一種方法是在交聯(lián)前向 GelMA 溶液中加入額外的化學(xué)物質(zhì);所得化學(xué)共軛水凝膠在組織粘附方面略有改善。通過用額外的化學(xué)品增強(qiáng)柔性薄的化學(xué)共軛 GelMA 薄膜，已經(jīng)進(jìn)行了其他嘗試來增強(qiáng) GelMA。但是，同時(shí)提高 GelMA 水凝膠中的韌性、拉伸性和粘合強(qiáng)度這三種機(jī)械性能仍然存在挑戰(zhàn)。

Terasaki 生物醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究所 (TIBI) 的一個(gè)合作團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種方法，可以通過可調(diào)制造參數(shù)的簡(jiǎn)單程序來改善 GelMA 水凝膠的所有這三種特性。

研究人員首先求助于在自然界中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)例子，以提高水凝膠的粘附力。海洋貽貝分泌強(qiáng)力線，用作附著物和牽引巖石和其他不規(guī)則表面的繩索。為了形成這些線，貽貝在酸性環(huán)境中產(chǎn)生粘附蛋白;暴露在微堿性海水中后，蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，從而促進(jìn)線的形成。

以相應(yīng)的方式，TIBI 團(tuán)隊(duì)在 GelMA 中添加了大量多巴胺，這是一種貽貝粘附蛋白的化學(xué)類似物，以增加其強(qiáng)度、彈性和粘附性能。他們還將混合物置于堿性條件下，以進(jìn)一步提高 GelMA 的粘合強(qiáng)度。

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