西安交大成一龍課題組《Sci. Adv.》: 分子結構精確調控構建高分子濕粘接劑
具有濕粘接能力的高分子粘接劑在快速傷口閉合、緊急止血、可植入電子設備等生物醫學領域具有廣闊的應用前景。然而，目前報導的大部分粘接劑對動態生物組織的濕粘接強度相對較弱，其主要原因是界面水合層的存在干擾了粘接劑和目標基質表面之間的直接接觸和化學鍵合。另一方面，粘接劑的內聚強度也具有重要影響，尤其在水下環境中，由于水分子的滲透作用，粘接劑會發生溶脹或降解，機械強度顯著降低，基體往往先于粘接界面被破壞。因此，如何通過分子結構的精確調控以實現高分子粘接劑界面作用力和內聚強度的協同提升是亟需解決的關鍵科學問題。
針對以上問題，西安交大成一龍研究員課題組提出了一種全新的通用設計策略用于構筑聚合物組織粘接劑（UPGAs），該粘接劑由苯丙氨酸衍生物N-丙烯酰苯丙氨酸（APA）和親水性乙烯基單體通過一步法自由基聚合得到。通過側基疏水性、取代基、取代基位置的系統調控，結合基體和界面分析證明了苯丙氨酸獨特的分子結構（苯環和羧基位于同一結構單元）可以同時實現界面排水和鍵合以及基體增強，從而與生物組織建立快速（5 s）、牢固（173 kPa）的濕粘接。此外，UPGAs粘度可調，滿足可注射需求，可以在不同基底材料表面快速固化粘接，并且適用于不同pH環境。進一步，UPGAs可以作為止血劑進行快速傷口閉合和緊急止血，尤其針對臨床上挑戰性止血場景，包括不可壓縮性的內臟出血以及形狀不規則的高壓動脈、靜脈出血等。
圖1. UPGAs的設計策略
該研究表明N-丙烯酰苯丙氨酸（APA）的結構優勢（苯環和羧基位于同一結構單元）具體包括以下三個方面：與N-丙烯酰甘氨酸（AG）、N-丙烯酰丙氨酸（AL）、N-丙烯酰纈氨酸（AV）相比，利用APA和丙烯酸（AA）共聚制備的聚合物濕粘接強度顯著提高，主要歸因于疏水性苯環在基體增強方面發揮的關鍵作用；APA中羧基被酰胺（N-丙烯酰苯丙酰胺（APN）)和氫（N-丙烯酰苯乙胺（APE））取代后，由于苯環在基體中疏水聚集的趨勢增加，在界面排水方面貢獻降低，水下粘接強度明顯下降；羧基和苯環處于不同分子的位置結構對濕粘接性能顯示出負面影響，這主要因為分子間動態非共價作用的形成受到影響，聚合物網絡交聯密度下降，基體強度減弱。此外，通過與不同親水性單體共聚，證實了APA作為疏水組分在UPGAs構筑中的普適性和通用性。
圖2. 疏水側基對濕粘接性能的影響
圖3. 取代基和取代基位置對濕粘接性能的影響
圖4. APA作為疏水組分構筑UPGAs的普適性
體內出血模型表明，UPGAs可以作為一種有效的密封劑，在幾秒鐘內實現緊急止血，尤其是針對不可壓縮的，形狀不規則的內部深層出血傷口。以上結果均表明該研究的分子設計原理將為開發新一代濕粘接劑提供解決思路和發展機遇，在微創手術治療、緊急自救、生物電子設備體內固定和植入等方面顯示出巨大應用潛力。
圖5. UPGAs在體內快速止血方面的應用
相關工作以“Molecular Architecture Regulation for the Design of Instant and Robust Underwater Adhesives”為題發表于《Science Advances》。論文的第一作者為西安交通大學化學學院博士生于靜，西安交通大學化學學院成一龍研究員為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金、西安交通大學“青年拔尖人才支持計劃”等項目的支持。論文的表征及測試得到西安交通大學分析測試共享中心的大力支持。
原文鏈接： https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg4031
