这张插图强调了两种水凝胶(蓝色)是如何通过壳聚糖薄膜(橙色)以不同的方式结合在一起的。形成的纽带非常牢固，可以抵抗高张力。图片来源:彼得·艾伦、瑞安·艾伦和詹姆斯·c·韦弗。
一种快速高效的新技术水凝胶的发现提供了显著推动新生物材料发展的潜力，解决了广泛的未满足的临床需求。
水凝胶由于其良好的适应性，在生物医学的各个领域得到越来越广泛的应用。这些生物材料是由水膨胀的分子网络组成的，可以定制来复制不同器官和组织的机械和化学特征。这使得它们可以与身体的内外表面相互作用，而不会伤害到人体解剖结构中最脆弱的部位。
水凝胶已经在临床实践中用于对抗病原体的治疗性药物输送;如眼内和隐形眼镜，以及眼科角膜假体;骨水泥，伤口敷料，凝血绷带，以及组织工程和再生中的3D支架。
然而，将水凝胶聚合物快速而牢固地粘合在一起仍然是一个未解决的未满足的需求，因为传统的方法通常会导致粘合时间较长后粘合较弱，并且依赖于复杂的程序。实现聚合物的快速粘附可以实现许多新的应用，包括，例如，水凝胶的硬度可以微调到更好地符合特定组织，医疗诊断的柔性电子设备的按需封装，或者为身体难以包扎的部位创造自粘组织包装。
现在，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和哈佛大学John a . Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的科学家们创造了一种简单而通用的方法，可以使用壳聚糖薄膜(壳聚糖是一种纤维状的糖基材料，来自加工过的贝类外骨骼)，立即有效地将由相同或不同类型的水凝胶和其他聚合物材料制成的层粘合在一起。他们成功地将这种新方法应用于几个尚未解决的医学问题，包括组织的局部保护性冷却，血管损伤的密封，以及防止身体内部表面不必要的“手术粘连”，这些粘连不应该相互粘在一起。研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。
“壳聚糖薄膜具有有效组装、微调和保护体内内外水凝胶的能力，为再生医学和外科护理创造了许多新的机会。”该研究的资深作者、创始Wyss研究所核心教员David Mooney博士说:“它们的应用速度、易用性和有效性使它们成为手术期间短时间内体内组装过程中高度通用的工具和组件，并在制造设施中简单地制造复杂的生物材料结构。”穆尼也是SEAS的Robert P. Pinkas家族生物工程教授。
构建新的纽带
在过去的几年里，Mooney在Wyss研究所和SEAS的团队开发了“坚韧粘合剂”，这是一种再生医学方法的集合，它使用可拉伸的水凝胶，通过牢固地粘附在潮湿的组织表面，并符合组织的机械特性，促进伤口愈合和组织再生。“精确配方的Tough粘合剂和非粘合剂水凝胶为我们和其他研究人员提供了改善患者护理的新机会。但是为了进一步发挥它们的功能，我们希望能够将两种或更多的水凝胶结合在更复杂的组件中，并且能够快速、安全、简单地完成这一过程，”共同第一作者、前Wyss研究助理Benjamin Freedman博士说，他与Mooney一起领导了几项Tough Adhesive的开发。现有的快速粘合水凝胶或弹性体的方法存在明显的缺点，因为它们依赖于有毒的胶水、表面的化学功能化或其他复杂的程序。”
通过生物材料筛选方法，研究小组确定了完全由壳聚糖制成的桥接膜。壳聚糖是一种含糖聚合物，可以很容易地从贝类的几丁质壳中制成，并且已经有了广泛的商业应用。例如，它目前被用于处理种子，在农业中用作生物农药，在酿酒中用于防止变质，在自愈涂料中，以及在医疗伤口管理中。
研究小组发现，壳聚糖薄膜通过化学和物理相互作用实现了水凝胶的快速和牢固的结合，这与传统的水凝胶结合方法不同。壳聚糖的糖链不是由pH值的微小变化引起的，基于单个原子之间共享电子(共价键)而产生新的化学键，而是迅速吸收水凝胶层之间的水，并与水凝胶的聚合物支架纠缠在一起，通过静电相互作用和氢键(非共价键)形成多个键。这导致水凝胶之间的附着力大大超过传统水凝胶粘合方法所产生的附着力。
第一个应用程序
为了展示他们新方法的广泛潜力，研究人员将重点放在了非常不同的医学挑战上。他们展示了用壳聚糖薄膜修饰的坚韧胶粘剂现在可以很容易地包裹在圆柱形的物体上，比如受伤的手指，作为自粘绷带，提供更好的伤口护理。由于壳聚糖结合水凝胶的高含水量，它们的应用也允许人体皮肤的局部冷却，这在未来可能会导致替代烧伤治疗。
研究人员还在肠道、肌腱和周围神经组织周围无缝地包裹了表面用薄壳聚糖薄膜修饰的水凝胶(坚韧凝胶)，而不与组织本身结合。“这种方法提供了在手术过程中有效隔离组织的可能性，否则会形成‘纤维化粘连’，有时会带来毁灭性的后果。”它们的预防是一个尚未得到满足的临床需求，商业技术还不能充分解决这个问题，”Freedman解释说。
在另一个应用中，他们将一层薄薄的壳聚糖薄膜放在一种坚韧的凝胶上，这种凝胶已经被放置在受伤的猪主动脉上，作为伤口密封剂，以增加绷带的整体强度，使其暴露在血液脉冲通过血管的周期性机械力下。
“戴夫·穆尼(Dave Mooney)团队的这项研究为生物医学水凝胶装置的工程带来了许多可能性，这可能会为再生医学和外科医学中亟待解决的问题提供优雅的解决方案，让许多患者从中受益。”Wyss创始董事Donald Ingber博士说，他也是哈佛医学院和波士顿儿童医院的血管生物学Judah Folkman教授，以及SEAS的Hansj?rg Wyss生物启发工程教授。
参考文献:“聚合物网络的即时坚韧粘合”，作者:Benjamin R. Freedman, Juan A. Cintron Cruz, Phoebe Kwon, Matthew Lee, Haley M. Jeffers, Daniel Kent, Kyle C. Wu, James C. Weaver和David J. Mooney, 2024年2月20日，美国国家科学院院刊。DOI: 10.1073 / pnas.2304643121
该研究的其他作者是Wyss研究所和SEAS的共同第一作者Juan Cintron Cruz, Mathew Lee和James Weaver;Phoebe Kwon, Haley Jeffers和Daniel Kent;以及波士顿贝斯以色列女执事医疗中心的凯尔·吴。这项研究得到了哈佛大学Wyss研究所、美国国立卫生研究院国家老龄化研究所(编号# K99/R00AG065495)和哈佛大学GSAS研究学者计划的支持。
