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科学前沿——可用于各种潮湿表面的韧性粘合剂
来源:http://science.sciencemag.org/content/357/6349/378 | 作者:hzyahuicom | 发布时间: 805天前 | 1600 次浏览 | 分享到:

具有强力粘合生物组织功能的粘合剂在医学中具有广泛的应用价值,包括组织修复,药物递送,伤口敷料,和生物医用装置。但是,现有的组织粘合剂的性能还差强人意。氰基丙烯酸酯是一类最强力的组织粘合剂,但具有一定的细胞毒性,且和潮湿的表面不相容。氰基丙烯酸酯暴露于水中后,会立即固化,形成不能适应组织动力学运动的刚性塑料。纳米颗粒和贻贝诱导的粘合剂主要依赖的是较弱的物理相互作用,组织粘附能力较弱。商品化得粘合剂,如纤维蛋白胶,聚乙二醇类粘合剂,可以与组织形成共价键。但是这些粘合剂基质韧性和粘附能在10Jm-2数量级。这些脆性粘合剂也会由于基质内聚破坏易于脱落。因此开发适用于潮湿和动态表面(包括生物组织)的韧性粘合剂仍然是医用粘合剂面临的一大挑战。

实现高粘附能需要两种效果的协同作用。首先,粘合剂应与基材形成牢固的结合。第二,粘合剂或基材(或两者)之间的材料应通过滞后消耗能量。哈佛大学D. J. Mooney研究小组报道了一系列满足以上要求用于生物应用的韧性粘合剂。该韧性粘合剂设计灵感来自一种强力粘附在湿润表面上的陆生腹足动物软体动物蛞蝓分泌的防御性粘液。这种俗称鼻涕虫的软体动物能分泌一种防御性粘液,使捕食者难以将其从附着物(如树叶)上抓走。这种蛞蝓粘合剂由具有互穿正电荷蛋白质的韧性基质组成。设计的韧性粘合剂由两层组成:(i)含有互穿正电聚合物的粘合剂表面,(ii)耗散基质。粘合剂表面可以通过静电相互作用、共价键和物理相互作用结合到基底上,而基体通过变形时滞后而消耗能量。这两层结构相互协同作用,能够使其在潮湿表面有更高的粘合性。
                          

该韧性粘合剂粘合作用发生在几分钟内,且和血液暴露无关。该粘合剂能与身体动态运动相容。这种韧性粘合剂粘性强、无毒性,可粘附于湿滑表面,能有效地封合术后伤口研究人员使用猪的各种组织对该粘合剂进行了实验,结果表明,其可与猪皮、软骨、心脏、动脉和肝脏强力粘合,而且对人的细胞无毒。

 

为进一步检验粘合剂的效果,研究人员尝试用其封合猪心内的缺损。由于血液的存在,这在过去是无法做到的,但新型粘合剂很好地完成了这一任务。他们在最新一期《科学》杂志上发表论文指出,这种粘合剂与心脏的粘合良好,且在心脏舒张时(这时会对粘合剂施加100%的张力)也不会产生渗漏。而在大鼠体内做模仿急诊手术和突发性失血实验时,新型粘合剂的性能堪比许多外科手术中用来止血的止血钳。

这种高性能粘合材料在医疗领域有许多潜在应用。研究人员指出,它既可作为贴片用于组织表面,也可作为注射溶液用于治疗体内更深层的损伤,还可用于将医疗设备(如心脏起搏器)连接到目标组织,将来甚至可以与其他技术结合,制造出粘性软体机器人或新的药物递送工具。

J. Li, A. D. Celiz, J. Yang, et al. Tough adhesives for diverse wet surfaces [J]. Science, 2017, 6349(357): 378-381. DOI: 10.1126/science.aah6362

  
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