图1 基于表面固定酶交联的水凝胶涂层

酶因其高催化效率和天然无毒性在生物医学领域受到广泛关注。生理条件下，辣根过氧化物酶（HRP）可以催化酪氨酸衍生物与游离胺基团形成双酪氨酸共轭。与游离酶相比，固定酶能够有效地提高酶的稳定性和耐受性。本研究将该体内自然发生的交联反应用于催化水凝胶的形成，利用多巴胺（Dopamine）的普遍粘附性，与蛋白质的希夫碱反应以及氢键作用力，将HRP沉积固定在各种基底上。在固定的HRP的作用下，催化酪胺改性的透明质酸（tyramine-modified hyaluronic acid，HA-Tyr）原位交联形成D-HT水凝胶涂层。进一步地，将聚丙烯酰胺网络（PAM）引入D-HT，得到D-HT-PAM双网络水凝胶涂层，通过双网络水凝胶结构拥有的能量耗散机制，有效提高水凝胶涂层的机械性能。如图2所示，验证了本方法制备的水凝胶涂层能够在各种基底上均匀生长（高分子材料、无机金属材料和无机非金属材料）。本研究中也探索了固定HRP催化形成D-HT、D-HT-PAM的生长动力学。D-HT水凝胶涂层的厚度受到反应时间、HA-Tyr浓度和H₂O₂浓度的控制。双网络体系的引入会导致D-HT-PAM水凝胶涂层的厚度在相应的D-HT的厚度上增加30-50 μm。与传统的水凝胶涂层制备方法相比，EISCC策略能够实现在各种形状和尺寸的材料上，以及不同材质的复杂医疗器械上得到可控和保形的D-HT-PAM涂层（图3），有用作医疗器械表面涂层的巨大潜力。

图2 D-HT、D-HT-PAM水凝胶涂层的生长动力学

图3 在不同形状表面和各种医疗器械表面的D-HT-PAM水凝胶涂层（罗丹明或者阿利新蓝染料染色）

此外本研究对D-HT-PAM水凝胶的润滑性和机械性能也进行了相应的评估。测量得到水凝胶涂层的摩擦系数在0.1以下，具体摩擦系数的数值受到法向力大小和剪切速率的影响。研究中构建的小球在“S”形管道中的运动模型，镍钛合金丝在鞘管中的输送模型，导管在离体猪主动脉中的输送模型以及鞘管在麻醉的大鼠的主动脉内的输送模型都表明了D-HT-PAM水凝胶涂层有优越的润滑性能，能够极大地降低基底的粗糙度。应用于医疗器械表面时能够有效减少因输送鞘而造成的血管内皮损伤，降低介/植入手术时器械造成的并发症（图4）。在EISCC策略设计的D-HT-PAM双网络水凝胶涂层中，第一个网络由酪胺改性的透明质酸水凝胶（HT）构成，HT水凝胶脆弱易碎。第二个网络由聚丙烯酰胺水凝胶（PAM）网络构成，PAM柔软且有高延展性。HT-PAM双网络水凝胶和D-HT-PAM双网络水凝胶涂层中，HT网络和PAM网络相互渗透穿插，形成均匀且复杂的缠绕结构。这种双网络结构成功的引入了能量耗散体系。当水凝胶在受力拉伸或者压缩的过程中，脆弱的HT水凝胶受力，透明质酸网络首先断裂成簇；在水凝胶继续受力变形的过程中将应力通过HT簇发生应力耗散，从而大大改善水凝胶的机械性能。图5中，2% HT和3% HT水凝胶的压缩模量分别为10.26 kPa和20.75 kPa，而引入第二个网络体系后2% HT-PAM水凝胶和3% HT-PAM水凝胶的压缩模量大幅度增加到了42.33 kPa和149.33 kPa。对涂层的抗压强度和与界面的黏附强度测量结果也显示出，引入双网络结构能够改善涂层的机械强度。

图4 D-HT-PAM水凝胶涂层的润滑性

图5 D-HT-PAM水凝胶涂层的机械强度

综上所述，本研究通过体内自然发生的交联反应形成基于生物大分子的水凝胶涂层。由此产生的双层网络水凝胶涂层具有显著可控性、优秀的机械性能和润滑性能，在材料领域特别是生物医学领域显示出巨大的应用潜力。相关工作以题为“Enzyme-Immobilized Surface-Catalyzed Cross-Linking: Creating Multifunctional Double Network Hydrogel Coatings on Diverse Substrates”的论文发表在于Advanced Functional Materials上，文章第一作者为四川大学生物医学工程学院任星蓉硕士，国家生物医学材料工程技术研究中心和四川大学生物医学工程学院王云兵教授和郭高阳副研究员（专职科研）为论文通讯作者。

通讯作者介绍：

王云兵教授，国家生物医学材料工程技术研究中心主任、四川大学生物医学工程学院院长，国家有突出贡献中青年专家，国务院特殊津贴专家、国际生物材料科学与工程学会联合会Fellow，中国生物材料学会副理事长、科技部生物材料国际交流合作基地主任、教育部组织再生性生物材料科学与工程创新引智基地主任。主要从事心脑血管疾病等治疗的新型生物医用材料和微创介入医疗器械的基础研究与产品应用开发。主持开发了一系列国内、国际首创的心血管医疗器械产品并实现大规模临床应用。在此基础上，已申报国内、国际专利500多项，并在Advanced Materials、Science和Nature子刊等国际知名期刊发表论文200多篇。获教育部技术发明一等奖（2020）、 四川省科技进步一等奖（2022）和中国侨界贡献一等奖（2020）等奖项。