ACS Macro. Lett.|超分子交联用于贻贝启发的组织黏合

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今天为大家推送的文献是最近发表于ACS Macro Letters的一篇文章,标题为Supramolecular Cross-Links in Mussel-Inspired Tissue Adhesives。本文的通讯作者是加利福尼亚大学伯克利分校Phillip B. Messersmith教授。

稳定牢固的内聚网络对于合成具有持久黏性的医用黏合剂至关重要。目前,多数临床认可的黏合剂仅依靠单个共价反应性基元,建立起黏合界面与内聚网络。而近年来,研究者也采用包括半结晶嵌段共聚物或双网络水凝胶的策略,改善网络的内聚作用。相比而言,内聚作用与黏合作用对整体黏附的贡献研究较少,缺乏一种简便有效的设计策略。本文中,作者期望在黏附中研究内聚力与黏合力的相对贡献,改进材料设计,以得到具有临床上适当生物学特征的强黏合剂。

超分子材料在组织工程与再生医学等领域具有潜在的应用。在医用黏合剂领域,往往采用氢键、金属配位或主客体相互作用等动态相互作用。其中,脲基-4-吡啶酮(UPy)能够通过二聚形成四重氢键,在生物材料中能够作为超分子交联剂使用。而海洋中,贻贝能通过分泌的黏性蛋白稳固锚定于水下,该蛋白中富含L-3,4-二羟基苯丙氨酸(DOPA),其侧链的邻苯二酚能够介导在界面产生牢固的黏附。此外,邻苯二酚基黏合剂被NaIO4氧化能够促进黏附。

邻苯二酚与UPy分别提供内聚力与黏合力,通过组织剪切黏合测试确定了其失效机理,从而能够了解每个共聚单体的影响。这一设计基于聚甲基丙烯酸酯(PMA),其中UPy-MA为超分子交联剂,而多巴胺甲基丙烯酸酯(DMA)具有组织黏附特征(图1)。作者引入了含有不同低聚乙二醇(OEG)长度的亲水性单体或不同烷基长度的疏水性单体,探究共聚单体的影响。

本文的分子设计与内聚/黏附力形成的机理


制备得到的黏合剂通过邻苯二酚特有的Arnow染料反应以探究失能模式。Arnow染料残留红色即表明内聚破坏,反之则为黏附破坏。由此,通过优化配比能改善材料的内聚作用,对其进行改性,

作者首先以UPy-MA,DMA分别与疏水性的甲基丙烯酸丁酯(Bu-MA)和亲水性的OEG9-MA进行初步研究。Bu-MA聚合物在测试前失效,表明邻苯二酚无法与纯疏水聚合物配合实现黏附。而OEG9-MA在去离子水中逐渐崩解,够得到16.6±7.5 kPa 的黏合强度,同时内聚被破坏。上述结果表明,同时引入疏水与亲水的共聚单体,能够在促进邻苯二酚与组织反应的同时,将UPy与水隔离,能够有效改善本体性能。相分离形态的形成对于提到黏附性能至关重要。对不同共聚单体结构的筛选,优化得到最优共聚单体的组成。只含有单一作用力(内聚力/黏合力)的材料的黏合测试表明,两者的存在都是高黏合强度所必须的,起到正交的作用。由此,作者得到了黏合强度较高的聚合物组成与配比。

对上述优化的聚合物进行进一步表征(图2),发现其在PBS缓冲液中具有快速的平衡溶胀,在干燥与溶胀的样品中均体现出交联弹性体的典型特征。溶胀未显著影响材料的弹性模量,证明了UPy交联的相分离形态连接的疏水相在溶胀状态下也能够提供拉伸强度,不过其作用强度与交联强度降低。而原子力显微镜表明溶胀后的材料体现出纳米相分离的特征,相之间相互连接,且重叠时其高度图像与力图不对齐。上述结果表明,有效的纳米相分离使其保持优异的弹性性能。

聚合物黏合剂的溶胀动力学、机械性能与形态

除了优异的黏附性能外,该黏合剂能够抵抗较大的破裂压力,从而可以应用于封闭医源性缺陷,例如肠蠕动或孕期的羊膜囊。在PCL背衬与NaIO4处理后,该材料能够抵抗107.8±19.2 mmHg的爆破压力。仅采取邻苯二酚的自氧化作用,不外加NaIO4下,也可产生足以应用于多种外科手术中的爆破压力(≤20 mmHg),使得该材料具有临床转化的强大潜力。此外,基于邻苯二酚的黏合聚合物具有优异的生物相容性。

综上,作者提出了以超分子交联下贻贝启发的组织黏合剂的设计策略,通过亲疏水共聚单体的迭代和调节,能够提供极大的黏合强度;而超分子交联能够改善其内聚强度。这一策略具有极大的可扩展性,期望利用其他超分子化学技术提高其适应性。


作者:ZZC 审校:LXY

DOI: 10.1021/acsmacrolett.0c00520

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.0c00520 


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