No. 2 功能高分子学报 2020年4月 Journal of Functional polymers 文章编号:1008-93572020)02-0125-16 DOl:10.14133cnki1008-93572019071001 生物黏合水凝胶研究进展 林柏仲12,赵丽l,王宏伟1,朱浩鹏1,盖广清l,王立艳1,丁建勋2 (1.吉林建筑大学材料科学与工程学院,建筑节能技术工程实验室,长春130118; 2.中囯科学院长春应用化学研究所,生态环境高分子材料重点实验室,长春130022) 摘要:近年来,水凝胶在组织工程攴架、伤口敷料和药物递送系统等生物医学领域得到广泛应 用。其中,生物黏合水凝胶因具有良好的黏合强度和优异的生物相容性,并且可以替代传统的手 术缝合用于止血及伤口处理而备受关注。本文在已有工作的基础上系统地概述了生物黏合水凝 胶的制备方法,并详细地讨论了各种水凝胶的黏合机理。此外,总结了生物黏合水凝胶在生物医 学中的应用,并展望了性能优异的生物黏合水凝胶的开发思路 关键词:生物黏合剂;生物黏合水凝胶;黏合机理;生物医学应用 中图分类号:O63 文献标志码:A Progress in Bioadhesive Hydrogels LIN Bozhong,2, ZHAO Li 2, WANG Hongwei!, ZHU Haopeng, GAI Guangqing, WANG Liyan, DING Jianxun2 (1. Laboratory of Building Energy-Saving Technology Engineering, College of Material Science and Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China; 2. Key Laboratory of Polymer Ecomaterials, Changchi Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130022, China) Abstract: Over the past few decades, the suture has been the practice of choice for wound management, which held the tissues in close proximity for fast healing and stopped body fluid leakage. However, the suture is not ideal and not suitable for many procedures owing to the inherent invasion of sutures. Complete sealing of incisions by sutures may cause additional damage to the surrounding tissues of surgical sites. In addition, the incision closure using sutures requires a specific technical skill of the surgeons, which influences the duration and success of the operation. Moreover, the suture-enclosed wounds have a higher infection rate and face the subsequent removal of the suture. To solve these problems, medical adhesives have emerged as attractive alternatives to suturing due to their facile application. The medical adhesive is an atraumatic, fast, and painless method for wound management, which exhibits effective hemostasis, efficient prevention of body fluid leakage strong tissue bonding, and minimal scarring. Surgical materials for medical adhesives should be biocompatible, biodegradable, and inexpensive. In this regard, bioadhesive hydrogels have attracted growing attention owing to excellent properties, including high adhesive strength and fast curing capability. The preparation methods of bioadhesive hydrogels are ummarized in this review. The adhesion mechanism of bioadhesive hydrogel is usually the combination of multiple 收稿日期:2019-07-11 基金项目:国家自然科学基金(51873207,51403075.51803006,51673190,51673187,51603204);吉林省科技发展计划(20190201068JC 20180520217JH,20170520153JH,20170520152JH) 作者简介:林柏仲(1995—),男,硕士生,主要研究方向为功能高分子材料。Emai: balin2018a163com 通信联系人:赵丽,E-mail:zhaolizdla163com;盖广清,E-mail:gaige@163com;丁建勋,E-mail:jxdingacac.ac.cn 引用格式:林柏仲,赵丽,王宏伟,等.生物黏合水凝胶研究进展[J功能高分子学报,2020.33(2):125-140 Citation: LIN Bozhong, ZHAO Li, WANG Hongwei, et al. Progress in Bioadhesive Hydrogels [J]. Journal of Functional Polymers, 2020, 33(2):125-140
文章编号： 1008-9357(2020)02-0125-16 DOI: 10.14133/j.cnki.1008-9357.20190711001 生物黏合水凝胶研究进展 林柏仲1,2， 赵 丽1,2， 王宏伟1， 朱浩鹏1， 盖广清1， 王立艳1， 丁建勋2 （1. 吉林建筑大学材料科学与工程学院，建筑节能技术工程实验室，长春 130118； 2. 中国科学院长春应用化学研究所，生态环境高分子材料重点实验室，长春 130022） 摘 要： 近年来，水凝胶在组织工程支架、伤口敷料和药物递送系统等生物医学领域得到广泛应 用。其中，生物黏合水凝胶因具有良好的黏合强度和优异的生物相容性，并且可以替代传统的手 术缝合用于止血及伤口处理而备受关注。本文在已有工作的基础上系统地概述了生物黏合水凝 胶的制备方法，并详细地讨论了各种水凝胶的黏合机理。此外，总结了生物黏合水凝胶在生物医 学中的应用，并展望了性能优异的生物黏合水凝胶的开发思路。 关键词： 生物黏合剂；生物黏合水凝胶；黏合机理；生物医学应用 中图分类号： O63 文献标志码： A Progress in Bioadhesive Hydrogels LIN Bozhong1,2, ZHAO Li1,2, WANG Hongwei1 , ZHU Haopeng1 , GAI Guangqing1 , WANG Liyan1 , DING Jianxun2 （1. Laboratory of Building Energy-Saving Technology Engineering, College of Material Science and Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China; 2. Key Laboratory of Polymer Ecomaterials, Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130022, China） Abstract: Over the past few decades, the suture has been the practice of choice for wound management, which held the tissues in close proximity for fast healing and stopped body fluid leakage. However, the suture is not ideal and not suitable for many procedures owing to the inherent invasion of sutures. Complete sealing of incisions by sutures may cause additional damage to the surrounding tissues of surgical sites. In addition, the incision closure using sutures requires a specific technical skill of the surgeons, which influences the duration and success of the operation. Moreover, the suture-enclosed wounds have a higher infection rate and face the subsequent removal of the suture. To solve these problems, medical adhesives have emerged as attractive alternatives to suturing due to their facile application. The medical adhesive is an atraumatic, fast, and painless method for wound management, which exhibits effective hemostasis, efficient prevention of body fluid leakage, strong tissue bonding, and minimal scarring. Surgical materials for medical adhesives should be biocompatible, biodegradable, and inexpensive. In this regard, bioadhesive hydrogels have attracted growing attention owing to excellent properties, including high adhesive strength and fast curing capability. The preparation methods of bioadhesive hydrogels are summarized in this review. The adhesion mechanism of bioadhesive hydrogel is usually the combination of multiple 收稿日期： 2019-07-11 基金项目： 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 51873207， 51403075， 51803006， 51673190， 51673187， 51603204） ； 吉 林 省 科 技 发 展 计 划 （ 20190201068JC， 20180520217JH，20170520153JH，20170520152JH） 作者简介： 林柏仲（1995—），男，硕士生，主要研究方向为功能高分子材料。E-mail：bzlin2018@163.com 通信联系人： 赵 丽，E-mail：zhaolizdl@163.com；盖广清，E-mail：gaigq@163.com；丁建勋，E-mail：jxding@ciac.ac.cn 引用格式： 林柏仲, 赵 丽, 王宏伟, 等. 生物黏合水凝胶研究进展 [J]. 功能高分子学报，2020，33（2）：125-140. Citation： LIN Bozhong, ZHAO Li, WANG Hongwei, et al. Progress in Bioadhesive Hydrogels [J]. Journal of Functional Polymers, 2020, 33（2）: 125-140. Vol. 33 No. 2 功 能 高 分 子 学 报 2020 年 4 月 Journal of Functional Polymers 125
功能高分子学报 第33卷 interactions with one interaction being dominant. In addition, the biomedical applications of bioadhesive hydrogels are introduced, and the development of bioadhesive hydrogels with unique properties is also predicted Key words: biological adhesive; bioadhesive hydrogel; adhesion mechanism; biomedical application 近年来,内脏器官、皮肤、结缔组织、肌肉等创伤处的出血控制和伤口愈合成为研究的热点-。缝合是 出血控制和伤口闭合的首选途径,但手术缝合带来的周围组织损伤以及较高的手术技能需求限制了其应 用。生物黏合剂用于软组织修复可缩短手术时间并减少对软组织的损伤,有望取代传统缝合线、铆钉、器械 缝合伤口的处理方式。因此,生物黏合剂克服缝合缺陷并促进伤口愈合成为研究热点 生物黏合剂是具有高度黏合力和一定生物相容性的凝胶或贴剂,可替代传统手术线缝合的伤口闭合器 械并具有促进伤口愈合的功效56。水凝胶是天然或合成高分子的水合三维(3D)网络,因其与生物组织的 相似性被广泛应用于生物医用领域。其中,温敏性水凝胶、化学交联水凝胶、酶催化水凝胶等由于其独特且 可调节的性能使其在生物医用材料领域得到广泛应用。本课题组制备了一系列原位可注射水凝胶,并在抗 肿瘤治疗明、生物黏附0間、药物递送2、创面愈合叫以及软骨组织工程418等领域具有较好的应用前 景。目前,水凝胶的功能性,如黏合性、韧性、自愈性等也成为研究热点9,2。传统水凝胶在固体表面滑动摩 擦系数较低,黏合性能差。此外,系统中存在的大量水与水凝胶中官能团产生的氢键相互作用进一步削弱了 水凝胶的黏合强度,限制了水凝胶基黏合剂的开发应用凹2 随着研究人员的不断努力,生物黏合水凝胶取得了较好的进展,但由于各种基底表面对水凝胶的黏合要 求不同,导致难以构建用于各种用途的通用黏合剂。生物黏合水凝胶的改性研究除了应满足安全性高、成本 低、可用性强、生物相容性好等要求外,还应以理想生物黏合水凝胶的特性为标准来提髙水凝胶基黏合剂的 综合性能。理想的生物黏合水凝胶应具有以下特性:(1)较强的组织黏合性、止血性能和组织愈合特性;(2) 在整个愈合过程中保持所需要的力学性能;(3)流动特性,能准确地应用于所需区域;(4)在生理条件下快速 固化,尽量减少出血和缩短手术时间;(5)在规定的时间内降解和吸收;(6)安全、无毒、良好的生物相容性且 易于制备;(7)价格低廉且在临床中操作方便。 虽然能够满足以上理想特性的生物黏合水凝胶 Hemostatic agent 尚未出现,但生物黏合水凝胶仍取得了快速发展 生物黏合水凝胶的黏合力来源于原位水凝胶形成过 程中高分子中活性基团与生物组织中活性基团的相 互反应,或与被黏物表面间的物理或化学相互作 用。目前对于生物黏合剂的综述多聚焦于单方面研 究12-26,并没有全面归纳生物黏合水凝胶的制备方 法和黏合机理,缺乏对生物黏合水凝胶整体研发趋 Adhesive hydrogels 势分析。依据不同的制备方法和黏合机理,如图1 所示,生物黏合水凝胶可以分为化学交联水凝胶、 物理交联水凝胶、化学和物理协同交联水凝胶,以 及生物和生化结合水凝胶。本文对生物黏合水凝胶 的制备方法进行了阐述,并详细讨论了每种水凝胶 的黏合机理,对生物黏合水凝胶的医学应用也进行 图1生物黏合水凝胶的制备及应用 了介绍。 Fig. 1 Preparation and applications of bioadhesive hydrogels 1生物黏合水凝胶的制备及黏合机理 1.1化学交联水凝胶 生物黏合水凝胶因其优异的黏合性能已作为黏合剂应用于临床,目前大多数生物黏合水凝胶的黏合机
interactions with one interaction being dominant. In addition, the biomedical applications of bioadhesive hydrogels are introduced, and the development of bioadhesive hydrogels with unique properties is also predicted. Key words: biological adhesive； bioadhesive hydrogel； adhesion mechanism； biomedical application 近年来，内脏器官、皮肤、结缔组织、肌肉等创伤处的出血控制和伤口愈合成为研究的热点[1-3]。缝合是 出血控制和伤口闭合的首选途径，但手术缝合带来的周围组织损伤以及较高的手术技能需求限制了其应 用。生物黏合剂用于软组织修复可缩短手术时间并减少对软组织的损伤，有望取代传统缝合线、铆钉、器械 缝合伤口的处理方式[4]。因此，生物黏合剂克服缝合缺陷并促进伤口愈合成为研究热点。 生物黏合剂是具有高度黏合力和一定生物相容性的凝胶或贴剂，可替代传统手术线缝合的伤口闭合器 械并具有促进伤口愈合的功效[3, 5, 6]。水凝胶是天然或合成高分子的水合三维（3D）网络，因其与生物组织的 相似性被广泛应用于生物医用领域。其中，温敏性水凝胶、化学交联水凝胶、酶催化水凝胶等由于其独特且 可调节的性能使其在生物医用材料领域得到广泛应用。本课题组制备了一系列原位可注射水凝胶，并在抗 肿瘤治疗[7-9]、生物黏附[10, 11]、药物递送[12]、创面愈合[13] 以及软骨组织工程[14-18] 等领域具有较好的应用前 景。目前，水凝胶的功能性，如黏合性、韧性、自愈性等也成为研究热点[19, 20]。传统水凝胶在固体表面滑动摩 擦系数较低，黏合性能差。此外，系统中存在的大量水与水凝胶中官能团产生的氢键相互作用进一步削弱了 水凝胶的黏合强度，限制了水凝胶基黏合剂的开发应用[21]。 随着研究人员的不断努力，生物黏合水凝胶取得了较好的进展，但由于各种基底表面对水凝胶的黏合要 求不同，导致难以构建用于各种用途的通用黏合剂。生物黏合水凝胶的改性研究除了应满足安全性高、成本 低、可用性强、生物相容性好等要求外，还应以理想生物黏合水凝胶的特性为标准来提高水凝胶基黏合剂的 综合性能。理想的生物黏合水凝胶应具有以下特性：（1）较强的组织黏合性、止血性能和组织愈合特性；（2） 在整个愈合过程中保持所需要的力学性能；（3）流动特性，能准确地应用于所需区域；（4）在生理条件下快速 固化，尽量减少出血和缩短手术时间；（5）在规定的时间内降解和吸收；（6）安全、无毒、良好的生物相容性且 易于制备；（7）价格低廉且在临床中操作方便。 虽然能够满足以上理想特性的生物黏合水凝胶 尚未出现，但生物黏合水凝胶仍取得了快速发展。 生物黏合水凝胶的黏合力来源于原位水凝胶形成过 程中高分子中活性基团与生物组织中活性基团的相 互反应，或与被黏物表面间的物理或化学相互作 用。目前对于生物黏合剂的综述多聚焦于单方面研 究[22-26]，并没有全面归纳生物黏合水凝胶的制备方 法和黏合机理，缺乏对生物黏合水凝胶整体研发趋 势分析。依据不同的制备方法和黏合机理，如图 1 所示，生物黏合水凝胶可以分为化学交联水凝胶、 物理交联水凝胶、化学和物理协同交联水凝胶，以 及生物和生化结合水凝胶。本文对生物黏合水凝胶 的制备方法进行了阐述，并详细讨论了每种水凝胶 的黏合机理，对生物黏合水凝胶的医学应用也进行 了介绍。 1 生物黏合水凝胶的制备及黏合机理 1.1 化学交联水凝胶 生物黏合水凝胶因其优异的黏合性能已作为黏合剂应用于临床，目前大多数生物黏合水凝胶的黏合机 Chemical crosslinking hydrogels Physically crosslinked hydrogels Chemical and physical combined crosslinking hydrogels Adhesive hydrogels Heat Reduction Oxidation Fibrin Schiff base Crosslinking agent Enzymatic crosslinking Free radical polymerization Biological and biochemical coupling hydrogels 图 1 生物黏合水凝胶的制备及应用 Fig. 1 Preparation and applications of bioadhesive hydrogels 126 功 能 高 分 子 学 报 第 33 卷
第2期 林柏仲,等:生物黏合水凝胶研究进展 制是水凝胶和生物组织表面上不同官能团之间的化学结合P。化学交联水凝胶可通过醛基和氨基反应形成 席夫碱和多个交联点而得到,并且水凝胶中多余的醛基可以进一步与生物组织中的氨基共价结合,从而显示 出对活组织的高黏合强度Ⅸ3。本课题组通过羧甲基壳聚糖的氨基和氧化右旋糖酐的醛基原位发生席夫 碱反应,制备了原位可注射黏性水凝胶。对大鼠进行烧伤创面后原位注λ该水凝胶,可促进细胞黏附,使上 皮细胞迁移到伤口区域促进皮肤再生。Ye等将侧基带有儿茶酚的ε聚赖氨酸与氧化葡聚糖通过席夫碱 原位形成黏性水凝胶。体系中的氨基和醛基反应生成的席夫碱提供了水凝胶的内聚力,部分儿茶酚随时间 氧化产生的多巴醌和组织表面氨基之间的席夫碱也提供了界面黏合力。使用猪皮进行黏合性能测试的结果 表明,儿茶酚基团和席夫碱共价交联的综合作用使该黏合水凝胶具有更高的黏合强度。Yan等围4 将多巴胺(DOPA)修饰到醛改性的藻酸盐(ALG)骨架形成双功能化ALG,通过酰肼改性聚(L-谷氨酸)和双功 能化ALG的席夫碱反应制备了可注射生物黏合水凝胶( PGAALG-CHO)(图2)。剪切黏附实验表明随着儿 茶酚接枝率的提高,该水凝胶的黏合强度可达到(218±3.1)kPa。采用原位形成的 PGAJALG-CHO儿茶酚水 (a) -NH-NH stacking H bonding 如 Modification Grafting t PGA dihydrazide Catechol grafting ratio/? 图2可注射生物黏合水凝胶 PGA/ALG-CHO的制备及性能分析叫:(a)可注射生物黏合水凝胶 PGAJALG-CHO的合成机理示 意图;(b)用不同儿荼酚接枝率制备 PGA/ALG-CHO水凝胶的黏合强度;(c)通过使用原位形成的 PGAIALG-CHO catechol水凝胶可以紧密胶合两片猪骨或猪肾 Fig 2 Prep nd property analysis of injectable adhesive hydrogels PGA/ALG-CHO- (a)Schematic illustration for preparation of PGA/ALG-CHO adhesive injectable hydrogels; b)Adhesive strength of PGA/ALG-CHO hydrogels with different catechol grafting ratios; (c)Two pieces of porcine bones or porcine kidneys could be tightly glued by using the in situ formed PGA/ALG-CHO-catechol
制是水凝胶和生物组织表面上不同官能团之间的化学结合[27]。化学交联水凝胶可通过醛基和氨基反应形成 席夫碱和多个交联点而得到，并且水凝胶中多余的醛基可以进一步与生物组织中的氨基共价结合，从而显示 出对活组织的高黏合强度[28-33]。本课题组[13] 通过羧甲基壳聚糖的氨基和氧化右旋糖酐的醛基原位发生席夫 碱反应，制备了原位可注射黏性水凝胶。对大鼠进行烧伤创面后原位注入该水凝胶，可促进细胞黏附，使上 皮细胞迁移到伤口区域促进皮肤再生。Ye 等[32] 将侧基带有儿茶酚的 ε-聚赖氨酸与氧化葡聚糖通过席夫碱 原位形成黏性水凝胶。体系中的氨基和醛基反应生成的席夫碱提供了水凝胶的内聚力，部分儿茶酚随时间 氧化产生的多巴醌和组织表面氨基之间的席夫碱也提供了界面黏合力。使用猪皮进行黏合性能测试的结果 表明 ，儿茶酚基团和席夫碱共价交联的综合作用使该黏合水凝胶具有更高的黏合强度。 Yan 等 [34] 将多巴胺（DOPA）修饰到醛改性的藻酸盐（ALG）骨架形成双功能化 ALG，通过酰肼改性聚（L-谷氨酸）和双功 能化 ALG 的席夫碱反应制备了可注射生物黏合水凝胶（PGA/ALG-CHO）（图 2）。剪切黏附实验表明随着儿 茶酚接枝率的提高，该水凝胶的黏合强度可达到（21.8 ± 3.1） kPa。采用原位形成的 PGA/ALG-CHO 儿茶酚水 (a) (b) (c) −NH−NH2 −CHO O O O O HO HO HO OH O O O O O O OH O O O H H H H H R R R H H H OH HH O O O O O C C N C C H N HO O O HN NH HN NH2 O H N N N H C O C C O m n O OH OH OH HO OH NH −CH = N− Modification of dopamine ALG-CHO PGA Grafting dihydrazide Injection Custom shape Hydrogen bonding π-π stacking OH 25 20 15 10 5 0 0 9.4 13.5 20.5 26.1 Adhesive strength/kPa Catechol grafting ratio/% 图 2 可注射生物黏合水凝胶 PGA/ALG-CHO 的制备及性能分析[34] ：（a）可注射生物黏合水凝胶 PGA/ALG-CHO 的合成机理示 意图 ；（b）用不同儿茶酚接枝率制备 PGA/ALG-CHO 水凝胶的黏合强度 ；（c）通过使用原位形成的 PGA/ALG-CHOcatechol 水凝胶可以紧密胶合两片猪骨或猪肾 Fig. 2 Preparation and property analysis of injectable adhesive hydrogels PGA/ALG-CHO[34] :（a）Schematic illustration for preparation of PGA/ALG-CHO adhesive injectable hydrogels;（b）Adhesive strength of PGA/ALG-CHO hydrogels with different catechol grafting ratios;（c）Two pieces of porcine bones or porcine kidneys could be tightly glued by using the in situ formed PGA/ALG-CHO-catechol hydrogels 第 2 期 林柏仲，等：生物黏合水凝胶研究进展 127
功能高分子学报 第33卷 凝胶,可将两段猪骨或猪肾紧密黏接,表明该水凝胶可以锚定在各种组织表面的多肽和蛋白质上。此外,大 鼠肝出血模型中应用该水凝胶后,由于通过席夫碱得到的 PGAJALG-CHO水凝胶凝胶化快速,儿茶酚基团与 组织之间的氢键和ππ堆积等多种相互作用形成水凝胶的网络屏障,使大鼠肝失血得到快速控制。Yu 等也通过狄尔斯-阿尔德和酰腙键反应制备了双交联网络生物黏合水凝胶,该水凝胶也具有很好的组织黏 合性能。 除了基于席夫碱的原位生物黏合水凝胶外,酶介导的原位交联水凝胶研究也取得了较大进展。酶介导 的生物黏合水凝胶具有力学性能可调、快速凝胶化和低毒特性,温和的交联条件也使其作为黏合剂在组织工 程中受到广泛关注。本课题组设计了双端酪胺修饰的聚乙二醇(PEG),并在辣根过氧化酶(HRP)和过氧 化氢(H2O2)存在下形成酶交联水凝胶,阐明了线性聚合物凝胶化的酶催化反应机理。该凝胶化通过HRP催 化的HO2的氧化反应消耗酚类化合物,如酪胺中的活性氢生成聚多酚来实现。Lee等从酶催化苯酚类化 合物的聚合出发,通过将羟基苯基丙酸和酪胺与明胶骨架结合,制备了一系列具有不同酚含量的明胶衍生 物,并考察了明胶衍生物的成凝胶行为和水凝胶性能。通过改变HRP和H2O2的浓度可调控水凝胶的成凝胶 时间。明胶衍生物在HRP和H2O2的存在下发生酶催化反应,使明胶衍生物中的苯酚基团相互反应形成寡聚 体,足够多的寡聚体作为交联点即可形成水凝胶。HRP浓度的增加降低了明胶-羟基苯基丙酸和明胶-羟基苯 基丙酸-酪胺的凝胶化时间,证实酚基明胶水凝胶的交联速率可通过H2O2和HRP浓度进行调控。对玻璃表 面与水凝胶间的黏合性能测试表明,该酶催化交联水凝胶的黏合强度可以由H2O2浓度来调控。该水凝胶具 有较好的黏合强度,其黏合强度是纤维蛋白黏合剂的2~3倍,可用于常规组织黏合剂的替代物。Hou等η 在HRP和H2O2存在下,实现了ALG-DOPA水凝胶的原位凝胶化。水凝胶的黏合力随着HRP和H2O2浓度 的增加而增加。较高的HRP和H2O2浓度使水凝胶的交联密度增加,而交联密度高的凝胶网络可以提供更强 的黏合相互作用。但进一步增加H2O2浓度时,过多的交联可能降低高分子的润湿性从而使水凝胶的黏附性 能降低。此外,酚基功能化的水溶性高分子也可通过酶促交联反应形成原位水凝胶。Wang等在HRP和 HO2存在下制备了ε-聚赖氨酸黏合水凝胶。酶催化交联水凝胶用于黏合剂,因其酶促反应条件温和、原位凝 胶化可控,以及黏合强度、力学性质和降解时间可调等特性,在外科手术止血和组织黏接等医疗领域中具有 较大应用潜力 近年来,自由基聚合水凝胶由于固化速率快和可控聚合等优势引起广泛关注,其在可见光或紫外光 (UV)照射下可实现体内或体外光聚合得到光敏生物黏合水凝胶,且可通过改变单体浓度、光引发剂浓度、光 强度和照射时间等调控凝胶性能啰。葡聚糖(DEX)中存在着大量羟基侧基,可通过化学修饰形成水凝胶 被广泛应用于组织黏合剂和组织工程领域阳。Wang等例采用光聚合生物材料甲基丙烯酸2-羟乙酯 (HEMA)和氨基甲酸酯葡聚糖(DEXU),通过紫外辐射交联得到生物黏合水凝胶(DEXH)。当高分子溶液暴 露在低功率U下时,由于聚合前HEMA易于渗透进入明胶表面的凹槽形成机械互锁,同时多官能团的 DEX-U提供了内聚力,导致DEX-H的黏合性能优于市售纤维蛋白黏合剂。甲基丙烯酸甲酯修饰的明胶 (GeMA)可通过光引发自由基聚合以共价交联形成水凝胶,由于其良好的生物学特性和可调的物理特性已被 广泛用于各种生物医学领域。 annabi等为了避免紫外光照射造成潜在的DNA和组织损伤,采用细胞外基 质(ECM)衍生物 GeMA和甲基丙烯酰取代重组人原弹性蛋白(MeIo)通过可见光交联制备了 MeTro GeMA生物黏合水凝胶。这种可见光活化光引发剂制备的生物黏合水凝胶避免了采用UV光带来的生物安 全问题。此外,相对于UV光介导的生物黏合水凝胶,可见光介导 Metro/geMA生物黏合水凝胶的力学性能 更优。 MeTro/geMA水凝胶的黏合性能可依据实际使用生理环境进行微调且与高分子浓度有关,其黏合强 度随着水凝胶中 GeMA比例的增加而增大,可达(57.26±568)kPa,远高于市售组织黏合剂的黏合强度。如 此高的黏合强度可归因于水凝胶与组织的机械互锁、交联过程中产生的自由基间的共价键合以及水凝胶基 质中游离羟基的氢键相互作用 多数生物黏合水凝胶由大分子和一种或多种小分子组成,大分子作为主要骨架结构提供力学性能,而小 分子通常作为交联剂与大分子反应提供黏合水凝胶的内聚强度。适当选择交联剂可以增加水凝胶的黏度并 使其与天然组织紧密连接。Nie等将马来酰亚胺基团引入到ε-聚赖氨酸上得到氨基化多肽交联剂 (EPLM),硫醇修饰的壳聚糖(CSS)通过EPLM快速原位交联形成水凝胶。该水凝胶内部的三维网络结构来 源于大分子上的羟基和硫醇基团与EPLM上氨基间的共价键合。同时,离子相互作用以及氢键相互作用也
凝胶，可将两段猪骨或猪肾紧密黏接，表明该水凝胶可以锚定在各种组织表面的多肽和蛋白质上。此外，大 鼠肝出血模型中应用该水凝胶后，由于通过席夫碱得到的 PGA/ALG-CHO 水凝胶凝胶化快速，儿茶酚基团与 组织之间的氢键和 π-π 堆积等多种相互作用形成水凝胶的网络屏障，使大鼠肝失血得到快速控制。Yu 等[33] 也通过狄尔斯-阿尔德和酰腙键反应制备了双交联网络生物黏合水凝胶，该水凝胶也具有很好的组织黏 合性能。 除了基于席夫碱的原位生物黏合水凝胶外，酶介导的原位交联水凝胶研究也取得了较大进展。酶介导 的生物黏合水凝胶具有力学性能可调、快速凝胶化和低毒特性，温和的交联条件也使其作为黏合剂在组织工 程中受到广泛关注。本课题组[35] 设计了双端酪胺修饰的聚乙二醇（PEG），并在辣根过氧化酶（HRP）和过氧 化氢（H2O2）存在下形成酶交联水凝胶，阐明了线性聚合物凝胶化的酶催化反应机理。该凝胶化通过 HRP 催 化的 H2O2 的氧化反应消耗酚类化合物，如酪胺中的活性氢生成聚多酚来实现。Lee 等[36] 从酶催化苯酚类化 合物的聚合出发，通过将羟基苯基丙酸和酪胺与明胶骨架结合，制备了一系列具有不同酚含量的明胶衍生 物，并考察了明胶衍生物的成凝胶行为和水凝胶性能。通过改变 HRP 和 H2O2 的浓度可调控水凝胶的成凝胶 时间。明胶衍生物在 HRP 和 H2O2 的存在下发生酶催化反应，使明胶衍生物中的苯酚基团相互反应形成寡聚 体，足够多的寡聚体作为交联点即可形成水凝胶。HRP 浓度的增加降低了明胶-羟基苯基丙酸和明胶-羟基苯 基丙酸-酪胺的凝胶化时间，证实酚基明胶水凝胶的交联速率可通过 H2O2 和 HRP 浓度进行调控。对玻璃表 面与水凝胶间的黏合性能测试表明，该酶催化交联水凝胶的黏合强度可以由 H2O2 浓度来调控。该水凝胶具 有较好的黏合强度，其黏合强度是纤维蛋白黏合剂的 2～3 倍，可用于常规组织黏合剂的替代物。Hou 等[37] 在 HRP 和 H2O2 存在下，实现了 ALG-DOPA 水凝胶的原位凝胶化。水凝胶的黏合力随着 HRP 和 H2O2 浓度 的增加而增加。较高的 HRP 和 H2O2 浓度使水凝胶的交联密度增加，而交联密度高的凝胶网络可以提供更强 的黏合相互作用。但进一步增加 H2O2 浓度时，过多的交联可能降低高分子的润湿性从而使水凝胶的黏附性 能降低。此外，酚基功能化的水溶性高分子也可通过酶促交联反应形成原位水凝胶。Wang 等[38] 在 HRP 和 H2O2 存在下制备了 ε-聚赖氨酸黏合水凝胶。酶催化交联水凝胶用于黏合剂，因其酶促反应条件温和、原位凝 胶化可控，以及黏合强度、力学性质和降解时间可调等特性，在外科手术止血和组织黏接等医疗领域中具有 较大应用潜力。 近年来，自由基聚合水凝胶由于固化速率快和可控聚合等优势引起广泛关注，其在可见光或紫外光 （UV）照射下可实现体内或体外光聚合得到光敏生物黏合水凝胶，且可通过改变单体浓度、光引发剂浓度、光 强度和照射时间等调控凝胶性能[39, 40]。葡聚糖（DEX）中存在着大量羟基侧基，可通过化学修饰形成水凝胶， 被广泛应用于组织黏合剂和组织工程领域[41-43]。Wang 等[39] 采用光聚合生物材料甲基丙烯酸 2-羟乙酯 （HEMA）和氨基甲酸酯葡聚糖（DEX-U），通过紫外辐射交联得到生物黏合水凝胶（DEX-H）。当高分子溶液暴 露在低功率 UV 下时，由于聚合前 HEMA 易于渗透进入明胶表面的凹槽形成机械互锁，同时多官能团的 DEX-U 提供了内聚力，导致 DEX-H 的黏合性能优于市售纤维蛋白黏合剂。甲基丙烯酸甲酯修饰的明胶 （GelMA）可通过光引发自由基聚合以共价交联形成水凝胶，由于其良好的生物学特性和可调的物理特性已被 广泛用于各种生物医学领域。Annabi 等[44] 为了避免紫外光照射造成潜在的 DNA 和组织损伤，采用细胞外基 质（ECM）衍生物 GelMA 和甲基丙烯酰取代重组人原弹性蛋白（MeTro）通过可见光交联制备了 MeTro/ GelMA 生物黏合水凝胶。这种可见光活化光引发剂制备的生物黏合水凝胶避免了采用 UV 光带来的生物安 全问题。此外，相对于 UV 光介导的生物黏合水凝胶，可见光介导 MeTro/GelMA 生物黏合水凝胶的力学性能 更优。MeTro/GelMA 水凝胶的黏合性能可依据实际使用生理环境进行微调且与高分子浓度有关，其黏合强 度随着水凝胶中 GelMA 比例的增加而增大，可达（57.26 ± 5.68） kPa，远高于市售组织黏合剂的黏合强度。如 此高的黏合强度可归因于水凝胶与组织的机械互锁、交联过程中产生的自由基间的共价键合以及水凝胶基 质中游离羟基的氢键相互作用。 多数生物黏合水凝胶由大分子和一种或多种小分子组成，大分子作为主要骨架结构提供力学性能，而小 分子通常作为交联剂与大分子反应提供黏合水凝胶的内聚强度。适当选择交联剂可以增加水凝胶的黏度并 使其与天然组织紧密连接。Nie 等[45] 将马来酰亚胺基团引入到 ε-聚赖氨酸上得到氨基化多肽交联剂 （EPLM），硫醇修饰的壳聚糖（CSS）通过 EPLM 快速原位交联形成水凝胶。该水凝胶内部的三维网络结构来 源于大分子上的羟基和硫醇基团与 EPLM 上氨基间的共价键合。同时，离子相互作用以及氢键相互作用也 128 功 能 高 分 子 学 报 第 33 卷
第2期 林柏仲,等:生物黏合水凝胶研究进展 增强了水凝胶内部的键合力。此外,该生物黏合水凝胶的黏合强度是商业纤维蛋白胶的4倍,这是由于 PLM上的阳离子基团増强了明胶和水凝胶间的黏合作用。 Strehin等采用六臂聚乙二醇胺(PEG-(NH2)6) 作为交联剂将N羟基琥珀酰亚胺(NHS)接枝的硫酸软骨素(CS-NHS)大分子单体进行交联制备了硫酸软骨 素-聚乙二醇(CS-PEG)黏合水凝胶。通过调节前驱体PEG(NH2)6溶液的p可控制水凝胶的交联密度。 S-PEG对软骨的黏合强度是纤维蛋白胶的10倍,可作为生物黏合剂用于伤口愈合和再生医学领域 基于席夫碱、酶促反应、自由基聚合和小分子或大分子交联剂交联的原位水凝胶用于生物黏合,具有性 能可控,以及可用于病患部位原位治疗的特性,这些特性使其在伤口处理和组织黏结等医学领域具有潜在的 应用价值 1.2物理交联水凝胶 目前,可注射物理交联水凝胶作为生物黏合剂已显示出诸多优点:(1)因其不使用小分子交联剂毒性较 低;(2)凝胶化时间通常比化学交联水凝胶短,可以准确作用于目标部位,防止水凝胶流向其他组织;(3)热响 应性高分子也被应用于生物黏合水凝胶中,因其在低温下以溶胶形式存在,在体温下可转变为凝胶,使热响 应温敏水凝胶具有较好的生物医学应用潜力。本课题组Ⅷ制备了聚乙二醇- block-聚(γ炔丙基-L-谷氨酸) PEG-PPLG)温敏性水凝胶, PEG-PPLG共聚物中炔基侧基能够使叠氮化物修饰的生物活性分子(例如生物素 和半乳糖)进一步官能化。乳糖对ECM中的纤维蛋白具有吸附作用,将半乳糖基团掺入水凝胶中可提高其 对细胞的黏附性能。Chen等将氧化石墨烯(GO)纳米片和四重氢键脲基嘧啶酮(UPy)引入热敏聚合物聚 (N-异丙基丙烯酰胺)( PNIPAM)基质中得到热响应超分子水凝胶( GO-HSH)。 GO-HSH水凝胶对载玻片、塑 料盘、钛、铬板以及柔软的生物组织等材料玓表现岀良好的黏附性。使用豬皮作为模型底物的剪切测量表 明,GO-HSH水凝胶具有较好的生物黏合力。GO-HSH水凝胶的最大黏合力在37℃时为130N,几乎是25℃ 时的2倍,表明GO-HSH水凝胶具有用于生物黏合材料的潜力。GO-HSH水凝胶增强的黏合强度来源于 UPy单元的二聚化,其可形成四重氢键交联网络并有效提高 GO-HSH水凝胶的力学强度 除了温度敏感生物黏合剂,近红外光(NIR)响应生物黏合剂也引起了广泛关注。温度和NR响应生物黏 合剂因其黏合强度、照射时间可控和定位精准在生物医学领域具有潜在应用价值。Di等H开发了一种多功 能 PNIPAM/DOPA黏土纳米复合水凝胶,该水凝胶具有可调节的拉伸性能、导电性能、光热双响应拉伸性能 和黏合性能。聚多巴胺纳米粒子( PDA NP)具有优异的黏合性能和光热性能,将其作为高效光热剂引入到热 敏 PNIPAM网络中制备的水凝胶具有可控的NR响应变形和宏观热响应行为。当黏土含量一定时,该水凝 胶的黏合强度随着体系中 PDA NP含量的增加而增大,可以黏附在玻璃、橡胶、纸和塑料基质上且黏合性具 有热可控重复性。该水凝胶与塑料和纸张表面的高黏合强度来源于 PDA NP表面上大量儿茶酚基团与基质 表面之间的氢键和疏水作用。此外,协同ππ叠加、阳离子-π和氢键相互作用增强了水凝胶和橡胶及玻璃间 的黏合强度。与传统 PNIPAM水凝胶相比,这种温敏可逆黏合水凝胶可作为黏合剂广泛应用于各领域 此外,采用核碱基也可制备物理交联生物黏合水凝胶。核碱基是一类含氮碱基,是脱氧核糖核酸(DNA) 和核糖核酸(RNA)的基本单元,在遗传和进化中发挥着重要作用。DNA和RNA存储和编码信息的能力来自 体液环境中的碱基互补配对,包括腺嘌呤-尿嘧啶(AU和鸟嘌呤-胞嘧啶(-C)F-S这种碱基互补配对的独 特分子结构,使碱基水凝胶具有一定的黏合强度。通常水凝胶的黏合强度与水凝胶和固体表面间的氢键、疏 水相互作用、金属络合、ππ堆积和阳离子-π相互作用等有关。在水凝胶和固体基质之间的界面处可能同时 存在几种协同相互作用,而基于腺嘌呤和胸腺嘧啶修饰水凝胶的黏合力仅取决于水凝胶与固体表面间的物 理相互作用。 Lu等凹糾研究了来自DNA和RNA的独立碱基(腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶)増强 的生物黏性水凝胶,将每种碱基独立引入到聚丙烯酰胺(PAM)中以赋予水凝胶强黏合性能。如图3所示,水 凝胶与各种固体材料之间黏合的相互作用包括氢键、疏水相互作用、金属络合、ππ堆积和阳离子-π相互作 用。独立碱基一NH2和N=基团可与固体材料的N、O、F、-OH和一NH2等形成氢键。此外,一N=和 一C=O基团也可以与材料的金属成分产生金属络合。由于不饱和的杂环结构的存在,使水凝胶与固体材料 之间的界面可能产生ππ堆积和阳离子-π相互作用。碱基黏性水凝胶对有机、无机材料和生物组织均表现 出优异的黏合性能。因此,碱基黏性水凝胶将在组织工程和基因治疗中获得广泛应用
增强了水凝胶内部的键合力。此外，该生物黏合水凝胶的黏合强度是商业纤维蛋白胶的 4 倍，这是由于 EPLM 上的阳离子基团增强了明胶和水凝胶间的黏合作用。Strehin 等[46] 采用六臂聚乙二醇胺（PEG-（NH2）6） 作为交联剂将 N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）接枝的硫酸软骨素（CS-NHS）大分子单体进行交联制备了硫酸软骨 素-聚乙二醇（CS-PEG）黏合水凝胶。通过调节前驱体 PEG-（NH2）6 溶液的 pH 可控制水凝胶的交联密度。 CS-PEG 对软骨的黏合强度是纤维蛋白胶的 10 倍，可作为生物黏合剂用于伤口愈合和再生医学领域。 基于席夫碱、酶促反应、自由基聚合和小分子或大分子交联剂交联的原位水凝胶用于生物黏合，具有性 能可控，以及可用于病患部位原位治疗的特性，这些特性使其在伤口处理和组织黏结等医学领域具有潜在的 应用价值。 1.2 物理交联水凝胶 目前，可注射物理交联水凝胶作为生物黏合剂已显示出诸多优点：（1）因其不使用小分子交联剂毒性较 低；（2）凝胶化时间通常比化学交联水凝胶短，可以准确作用于目标部位，防止水凝胶流向其他组织；（3）热响 应性高分子也被应用于生物黏合水凝胶中，因其在低温下以溶胶形式存在，在体温下可转变为凝胶，使热响 应温敏水凝胶具有较好的生物医学应用潜力。本课题组[10] 制备了聚乙二醇-block-聚（γ-炔丙基-L-谷氨酸） （PEG-PPLG）温敏性水凝胶，PEG-PPLG 共聚物中炔基侧基能够使叠氮化物修饰的生物活性分子（例如生物素 和半乳糖）进一步官能化。乳糖对 ECM 中的纤维蛋白具有吸附作用，将半乳糖基团掺入水凝胶中可提高其 对细胞的黏附性能。Chen 等[47] 将氧化石墨烯（GO）纳米片和四重氢键脲基嘧啶酮（UPy）引入热敏聚合物聚 （N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）基质中得到热响应超分子水凝胶（GO-HSH）。GO-HSH 水凝胶对载玻片、塑 料盘、钛、铬板以及柔软的生物组织等材料均表现出良好的黏附性。使用猪皮作为模型底物的剪切测量表 明，GO-HSH 水凝胶具有较好的生物黏合力。GO-HSH 水凝胶的最大黏合力在 37 ℃ 时为 1.30 N，几乎是 25 ℃ 时的 2 倍，表明 GO-HSH 水凝胶具有用于生物黏合材料的潜力。GO-HSH 水凝胶增强的黏合强度来源于 UPy 单元的二聚化，其可形成四重氢键交联网络并有效提高 GO-HSH 水凝胶的力学强度。 除了温度敏感生物黏合剂，近红外光（NIR）响应生物黏合剂也引起了广泛关注。温度和 NIR 响应生物黏 合剂因其黏合强度、照射时间可控和定位精准在生物医学领域具有潜在应用价值。Di 等[48] 开发了一种多功 能 PNIPAM/DOPA/黏土纳米复合水凝胶，该水凝胶具有可调节的拉伸性能、导电性能、光热双响应拉伸性能 和黏合性能。聚多巴胺纳米粒子（PDA NP）具有优异的黏合性能和光热性能，将其作为高效光热剂引入到热 敏 PNIPAM 网络中制备的水凝胶具有可控的 NIR 响应变形和宏观热响应行为。当黏土含量一定时，该水凝 胶的黏合强度随着体系中 PDA NP 含量的增加而增大，可以黏附在玻璃、橡胶、纸和塑料基质上且黏合性具 有热可控重复性。该水凝胶与塑料和纸张表面的高黏合强度来源于 PDA NP 表面上大量儿茶酚基团与基质 表面之间的氢键和疏水作用。此外，协同 π-π 叠加、阳离子-π 和氢键相互作用增强了水凝胶和橡胶及玻璃间 的黏合强度。与传统 PNIPAM 水凝胶相比，这种温敏可逆黏合水凝胶可作为黏合剂广泛应用于各领域。 此外，采用核碱基也可制备物理交联生物黏合水凝胶。核碱基是一类含氮碱基，是脱氧核糖核酸（DNA） 和核糖核酸（RNA）的基本单元，在遗传和进化中发挥着重要作用。DNA 和 RNA 存储和编码信息的能力来自 体液环境中的碱基互补配对，包括腺嘌呤-尿嘧啶（A-U）和鸟嘌呤-胞嘧啶（G-C） [49-51]。这种碱基互补配对的独 特分子结构，使碱基水凝胶具有一定的黏合强度。通常水凝胶的黏合强度与水凝胶和固体表面间的氢键、疏 水相互作用、金属络合、π-π 堆积和阳离子-π 相互作用等有关。在水凝胶和固体基质之间的界面处可能同时 存在几种协同相互作用，而基于腺嘌呤和胸腺嘧啶修饰水凝胶的黏合力仅取决于水凝胶与固体表面间的物 理相互作用。 Liu 等[21, 50, 52] 研究了来自 DNA 和 RNA 的独立碱基（腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶）增强 的生物黏性水凝胶，将每种碱基独立引入到聚丙烯酰胺（PAM）中以赋予水凝胶强黏合性能。如图 3 所示，水 凝胶与各种固体材料之间黏合的相互作用包括氢键、疏水相互作用、金属络合、π-π 堆积和阳离子-π 相互作 用。独立碱基―NH2 和−N=基团可与固体材料的 N、O、F、―OH 和―NH2 等形成氢键。此外，―N=和 ―C=O 基团也可以与材料的金属成分产生金属络合。由于不饱和的杂环结构的存在，使水凝胶与固体材料 之间的界面可能产生 π-π 堆积和阳离子-π 相互作用。碱基黏性水凝胶对有机、无机材料和生物组织均表现 出优异的黏合性能。因此，碱基黏性水凝胶将在组织工程和基因治疗中获得广泛应用。 第 2 期 林柏仲，等：生物黏合水凝胶研究进展 129
130 功能高分子学报 第33卷 Hydrogen bonding Metal complexation Hydrophobic interacion Other interactions Muscle Strong adhesion Adhesio Force Force No residu 图3碱基水凝胶的黏合机理与性能凹:(a)可能的黏附机制包括氢键、金属络合、疏水作用和其他相互作用(阳离子-π或xπ堆 积);(b)不同的被黏物和水凝胶之间的黏合力,包括塑料、聚四氟乙烯、聚乙烯、橡胶、硅橡胶、陶瓷、玻璃、硅玻璃、红玉 髓、木材、不锈钢 铜和铝(从左到右,从顶部到底部);(c)(上层)黏合水凝胶与小鼠内皮组织之间的黏合性和(下 层)水凝胶从手臂皮肤剥离的过程中没有残留现象 Fig 3 Adhesion mechanism and performance of nucleobase hydrogel):(a) Possible adhesion mechanisms, including hydrogen bonding metal complexation, hydrophobic association, and other interactions( cation-T or I-I stacking );(b)Adhesion between hydrogels and different adherends, including plastic, polytetrafluoroethylene, polythene, rubber, silica rubber, ceramic, glass, silica glass, carnelian, inum(from left to right and then from top to bottom);(c) Adhesion betweer adhesive hydrogels and endothelial tissue of mice(Top) and no residual of hydrogel in the process of peeling from skin of arm( botton 1.3化学和物理协同交联水凝胶 海洋生物贻贝通过足丝腺体分泌的黏附蛋白使其能够黏附在有机、金属和无机非金属表面。贻贝中至 少有6种足丝黏附蛋白,这些黏附蛋白含有的DOPA是酪氨酸在酪氨酸羟化酶作用下羟化产生的一种氧化 物,具有儿茶酚羟基,属儿茶酚胺。研究表明DOPA主要通过共价或者非共价作用与各类有机或无机表面相 互作用(图4)2 o dopa的侧基能够与亲水表面形成强氢键,与金属离子、金属氧化物(Fe3、Mn)和半金属 硅形成强络合物133。DOPA和金属氧化物之间强且可逆的相互作用与多巴儿茶酚和氧化物表面金属原子 之间形成的双齿金属-氧配位键有关。此外,儿茶酚还能与金属氧化物表面形成强可逆界面键65。邻苯 酚的苯环能够与其他芳环通过ππ相互作用来改善含儿茶酚聚合物的内聚力,使其能够附着于富含芳香族化 合物的表面86。阳离子π相互作用则增强了富含芳香族和阳离子官能团材料的内聚性M6 贻贝黏附蛋白分子通过DOPA残留物氧化为多巴醌而相互交联,儿茶酚氧化后形成的半醌和醌参与分 子间的共价交联导致DOPA黏合剂的固化。其次,DOPA与无机或有机表面的黏合作用可以是共价键或非共 价键作用,使DOPA原位氧化成高反应性多巴醌与组织表面上的官能团(即一NH2、-SH或咪唑)共价交
1.3 化学和物理协同交联水凝胶 海洋生物贻贝通过足丝腺体分泌的黏附蛋白使其能够黏附在有机、金属和无机非金属表面。贻贝中至 少有 6 种足丝黏附蛋白，这些黏附蛋白含有的 DOPA 是酪氨酸在酪氨酸羟化酶作用下羟化产生的一种氧化 物，具有儿茶酚羟基，属儿茶酚胺。研究表明 DOPA 主要通过共价或者非共价作用与各类有机或无机表面相 互作用（图 4） [22]。DOPA 的侧基能够与亲水表面形成强氢键，与金属离子、金属氧化物（Fe3+、Mn3+）和半金属 硅形成强络合物[53-55]。DOPA 和金属氧化物之间强且可逆的相互作用与多巴儿茶酚和氧化物表面金属原子 之间形成的双齿金属-氧配位键有关。此外，儿茶酚还能与金属氧化物表面形成强可逆界面键[56, 57]。邻苯二 酚的苯环能够与其他芳环通过 π-π 相互作用来改善含儿茶酚聚合物的内聚力，使其能够附着于富含芳香族化 合物的表面[58-61]。阳离子-π 相互作用则增强了富含芳香族和阳离子官能团材料的内聚性[62, 63]。 贻贝黏附蛋白分子通过 DOPA 残留物氧化为多巴醌而相互交联，儿茶酚氧化后形成的半醌和醌参与分 子间的共价交联导致 DOPA 黏合剂的固化。其次，DOPA 与无机或有机表面的黏合作用可以是共价键或非共 价键作用，使 DOPA 原位氧化成高反应性多巴醌与组织表面上的官能团（即―NH2、―SH 或咪唑）共价交 Hydrogen bonding Hydrophobic interacion Other interactions Metal complexation N N N N H H N N N N N HN N N N N N HN N N N NH H H H N N O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O HN N N N N N H2N H2N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N N H H N N N N N N N N N N N N N H H H H H H H H H H H H Muscle Stretch Strong adhesion Adhesion Peel No residue Easily remove Adhesion Force Force Hydrogel (b) (a) (c) + + 图 3 碱基水凝胶的黏合机理与性能[52] ：（a）可能的黏附机制包括氢键、金属络合、疏水作用和其他相互作用（阳离子-π 或 π-π 堆 积）；（b）不同的被黏物和水凝胶之间的黏合力，包括塑料、聚四氟乙烯、聚乙烯、橡胶、硅橡胶、陶瓷、玻璃、硅玻璃、红玉 髓、木材、不锈钢、金、银、铜和铝（从左到右，从顶部到底部）；（c）（上层）黏合水凝胶与小鼠内皮组织之间的黏合性和（下 层）水凝胶从手臂皮肤剥离的过程中没有残留现象 Fig. 3 Adhesion mechanism and performance of nucleobase hydrogel[52] : (a) Possible adhesion mechanisms, including hydrogen bonding, metal complexation, hydrophobic association, and other interactions（cation-π or π-π stacking）; (b) Adhesion between hydrogels and different adherends, including plastic, polytetrafluoroethylene, polythene, rubber, silica rubber, ceramic, glass, silica glass, carnelian, wood, stainless steel, gold, silver, copper, and aluminum (from left to right and then from top to bottom) ; (c) Adhesion between adhesive hydrogels and endothelial tissue of mice (Top) and no residual of hydrogel in the process of peeling from skin of arm (Bottom) 130 功 能 高 分 子 学 报 第 33 卷
第2期 林柏仲,等:生物黏合水凝胶研究进展 131 Hydrogen bonding Cation-I interaction i(d e) Co-ordination with Co-ordination with metal ions metal oxide surface crosslinking DOPA HO DOPA semiquinone R3 Histidyl group Cysteinyl group HO DOPA quinone g) 图4儿茶酚多巴侧基与其他基团间的相互作用:(a)与羟基形成氢键;(b)与另一个苯环发生xπ相互作用;(c)与带正电离子 的阳离子π相互作用;(d)与金属离子的鳌合以形成自我修复的交联;(e)与金属氧化物表面的配位键;(f、g)DOPA氧化 形成具有高反应性的半醌和醌;(h)醌与组织表面的亲核试剂(即一NH2、-SH)的界面共价交联反应 Fig4 Possible interactions between side chain DOPA of catechol and other groups2 .(a)Hydrogen bonds with -OH groups;(b)I-it Interaction with another benzene ring, (c)Cation-It interaction with positively charged ions, (d) osslinking formed by catechol chelating metal ions;(e)Co-ordination bonds with metal oxide surfaces, (f, g) DOP to its highly reactive miquinone and quinone forms; (h) Interfacial covalent crosslinking reaction between quinone and (i.e, -NH,, -SH)on 联6。此外,在不同pH条件下进行的单分子研究表明,DOPA和伯胺表面之间通过迈克尔加成或席夫碱反 应形成了共价键,并且采用DOPA和其他邻苯二酚衍生物与吸附基材之间的相互作用实现材料的黏附性能, 可用于仿生生物黏合水凝胶的制备。因此, Cencer等圓制备了DOPA封端的四臂聚乙二醇(PEG-D)生物黏 合水凝胶。该水凝胶的生物黏合性来源于PEGD与组织基质上的亲核物质(如一NH2、-SH)间的化学键
联[64-67]。此外，在不同 pH 条件下进行的单分子研究表明，DOPA 和伯胺表面之间通过迈克尔加成或席夫碱反 应形成了共价键，并且采用 DOPA 和其他邻苯二酚衍生物与吸附基材之间的相互作用实现材料的黏附性能， 可用于仿生生物黏合水凝胶的制备。因此，Cencer 等[65] 制备了 DOPA 封端的四臂聚乙二醇（PEG-D）生物黏 合水凝胶。该水凝胶的生物黏合性来源于 PEG-D 与组织基质上的亲核物质（如―NH2、―SH）间的化学键。 (a) (d) (e) R (b) (c) R R R R R R R HO HO HO HO HO Histidyl group Cysteinyl group HO HO HO HO HN HN HN NH HN HN HN R1 R1 R1 R1 R1 R2 R2 R2 R1 R3 R2 R2 R3 R3 R2 O O O O S O O N N O O O N HO HO HO HO M+ R HO HO HO R R OH O O OH OH HO HO O O O O M O O OO O Hydrogen bonding π-π Electron interaction Cation-π interaction Substratum Metal oxide Non-covalent crosslinking Covalent crosslinking Fe3+ Fe3+ Co-ordination with metal ions Co-ordination with metal oxide surface DOPA semiquinone DOPA quinone (g) (h) DOPA (f) −e− −2e− −H+ −e− −H+ −2H+ Lysyl group (CH2 )4 图 4 儿茶酚多巴侧基与其他基团间的相互作用[22] ：（a）与羟基形成氢键；（b）与另一个苯环发生 π-π 相互作用；（c）与带正电离子 的阳离子-π 相互作用；（d）与金属离子的螯合以形成自我修复的交联；（e）与金属氧化物表面的配位键；（f、g）DOPA 氧化 形成具有高反应性的半醌和醌；（h）醌与组织表面的亲核试剂（即―NH2、―SH）的界面共价交联反应 Fig. 4 Possible interactions between side chain DOPA of catechol and other groups[22] : (a) Hydrogen bonds with ―OH groups; (b) π-π Interaction with another benzene ring; (c) Cation-π interaction with positively charged ions; (d) Self-healing crosslinking formed by catechol chelating metal ions; (e) Co-ordination bonds with metal oxide surfaces; (f, g) DOPA oxidizing to its highly reactive semiquinone and quinone forms; (h) Interfacial covalent crosslinking reaction between quinone and nucleophiles (i.e., ―NH2 , ―SH) on tissue surface 第 2 期 林柏仲，等：生物黏合水凝胶研究进展 131
132 功能高分子学报 第33卷 此外,PEG-D和软组织之间界面键的形成也与pH有关。所以,p在含邻苯二酚的黏合性水凝胶氧化分子间 交联中发挥着重要作用。在温和的酸性条件下,由于瞬时氧化中间体的稳定性増加,PEG-D的固化较慢,在 pH=8时PEGD则快速固化。但相互竟争的交联反应和分子间交联所需的邻苯二酚的减少可能会降低这些 水凝胶的DOPA聚合程度和黏附强度。在pH=74条件下配制的胶黏剂在快速固化、提高力学性能和界面结 合力方面表现出良好的平衡,在组织修复和靶向给药的生物黏合剂方面具有潜在应用前景。 几种基于PEG的仿贻贝黏附蛋白高分子已显示出对组织的强附着力叫2。这些黏合剂的宏观黏合性测 试表明其搭接剪切、破裂强度和剥离黏合力均优于纤维蛋白胶。目前通过化学方法将DOPA和其他邻苯 酚衍生物连接到各种高分子上是制备DOPA基黏合剂的主要方法,如以PEG7、透明质酸(HA),河 ALG∞町、PAM8和壳聚糖8-测等来提高材料的黏合性能已成为研究热点。基于DOPA与其他基团发生 共价和非共价作用,为理想生物黏合水凝胶的设计和合成提供了一定的基础。Chen等图7采用化学交联和 物理交联合成了生物黏合水凝胶,该水凝胶通过DOPA接枝的氧化海藻酸钠的醛基与PAM的氨基之间的席 夫碱反应形成动态共价交联,在DOPA接枝的氧化海藻酸钠的儿茶酚基团之间形成可逆的氢键。因此,该化 学和物理交联协同的生物黏合水凝胶在保持弹性的同时,还能承受较大变形。此外,由于氧化海藻酸钠链上 存在大量儿茶酚基团和DOPA接枝氧化海藻酸钠链上的醛基,使水凝胶具有独特的细胞亲和力和组织黏附 性,更有利于其在伤口敷料中的进一步应用 1.4生物和生化结合水凝胶 硫键是可逆的共价键,能够在相对弱的氧化 剂存在下由2个硫醇基团形成,并能够在温和条件 Polymer S-S- Mucin 下还原成硫醇,且硫醇基团还能与组织上的氨基进 行结合。通过硫醇-二硫化物交换反应或简单的 氧化反应,含有硫醇的高分子和富含半胱氨酸的黏 Polymer S-S-Mucin+Mucin HS 液糖蛋白亚结构域之间可以形成二硫键(图5)。 硫键存在于生物物质中,对稳定蛋白质的折叠结 Polymer SH + S-S 构非常重要。本课题组制备了精氨酸-甘氨酸-天 冬氨酸序列(RGD)肽修饰的可注射酶交联PGA基 Oxidation 水凝胶。细胞黏附RGD配体通过二硫键与水凝胶 S-S-Muc 网络缀合,并提升了细胞对水凝胶的黏附性能。同 时,以含一SH的谷胱甘肽分子处理调控水凝胶中 图5硫醇和黏蛋白形成二硫键的机理 RGD的表达,可使水凝胶具有可调节的生物活性。Fg5 Forming mechanism of disulfide bond between thiomer and 此外,硫醇功能化高分子和丙烯酸酯或甲基丙烯酸 酯聚合物能在生理条件下原位形成水凝胶且没有副产物。其中硫醇化壳聚糖通过与富含半胱氨酸的黏液糖 蛋白结构区域形成二硫键而显示出较强的黏合性。Zeng等由聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和cSS制备了硫 醇-丙烯酸酯生物黏合水凝胶。该水凝胶的黏合强度高于纤维蛋白胶的相应值。CSS上的一SH 具有生物反应活性,可以与一COOH、一OH、一SH或其他基团反应,而这些活性基团多存在于生物组织的主 要成分蛋白质、糖类和脂肪中。CSS上的一SH与生物组织中的活性基团间的反应提高了该水凝胶的黏合强 度,且黏合强度显著髙于普通市售的纤维蛋白的相应值。该课题组还制备了一SH接枝儿茶酚-共轭壳聚糖水 凝胶。质量分数4%的儿茶酚-共轭壳聚糖水溶液可以在1min或更短的时间内原位快速形成水凝胶。水 凝胶中的硫醇基团不仅提供了抗氧化机制保护了还原形式的儿茶酚,而且丰富的硫醇基团与生物组织活性 基团形成的二硫键或产生的迈克尔加成反应提高了水凝胶的黏合强度。由硫醇化高分子组成的水凝胶有望 作为软组织黏合剂 在生物黏合水凝胶系统中,纤维蛋白水凝胶因其促细胞黏附、增殖、干细胞分化及促血管生成性能而引 起广泛关注-咧。纤维蛋白水凝胶是由纤维蛋白原形成的可降解生物高分子,其凝胶化过程主要模仿凝血级 联的最后一步并产生纤维蛋白凝块。纤维蛋白水凝胶中的纤维蛋白原和凝血酶是血液凝固过程涉及的主要 成分,纤维蛋白原通过凝血酶的介导转化为纤维蛋白,纤维蛋白通过凝血因子交联固化成纤维蛋白水凝胶网 络结构叫咧。纤维蛋白可通过共价键、氢键或其他机械互锁与生物组织结合提髙纤维蛋白水凝胶的黏合强
此外，PEG-D 和软组织之间界面键的形成也与 pH 有关。所以，pH 在含邻苯二酚的黏合性水凝胶氧化分子间 交联中发挥着重要作用。在温和的酸性条件下，由于瞬时氧化中间体的稳定性增加，PEG-D 的固化较慢，在 pH=8 时 PEG-D 则快速固化。但相互竞争的交联反应和分子间交联所需的邻苯二酚的减少可能会降低这些 水凝胶的 DOPA 聚合程度和黏附强度。在 pH=7.4 条件下配制的胶黏剂在快速固化、提高力学性能和界面结 合力方面表现出良好的平衡，在组织修复和靶向给药的生物黏合剂方面具有潜在应用前景。 几种基于 PEG 的仿贻贝黏附蛋白高分子已显示出对组织的强附着力[68-72]。这些黏合剂的宏观黏合性测 试表明其搭接剪切、破裂强度和剥离黏合力均优于纤维蛋白胶。目前通过化学方法将 DOPA 和其他邻苯二 酚衍生物连接到各种高分子上是制备 DOPA 基黏合剂的主要方法，如以 PEG[71-77]、透明质酸（HA） [78, 79]、 ALG[80, 81]、PAM[82] 和壳聚糖[26, 83-86] 等来提高材料的黏合性能已成为研究热点。基于 DOPA 与其他基团发生 的共价和非共价作用，为理想生物黏合水凝胶的设计和合成提供了一定的基础。Chen 等[87] 采用化学交联和 物理交联合成了生物黏合水凝胶，该水凝胶通过 DOPA 接枝的氧化海藻酸钠的醛基与 PAM 的氨基之间的席 夫碱反应形成动态共价交联，在 DOPA 接枝的氧化海藻酸钠的儿茶酚基团之间形成可逆的氢键。因此，该化 学和物理交联协同的生物黏合水凝胶在保持弹性的同时，还能承受较大变形。此外，由于氧化海藻酸钠链上 存在大量儿茶酚基团和 DOPA 接枝氧化海藻酸钠链上的醛基，使水凝胶具有独特的细胞亲和力和组织黏附 性，更有利于其在伤口敷料中的进一步应用。 1.4 生物和生化结合水凝胶 二硫键是可逆的共价键，能够在相对弱的氧化 剂存在下由 2 个硫醇基团形成，并能够在温和条件 下还原成硫醇，且硫醇基团还能与组织上的氨基进 行结合[88]。通过硫醇-二硫化物交换反应或简单的 氧化反应，含有硫醇的高分子和富含半胱氨酸的黏 液糖蛋白亚结构域之间可以形成二硫键（图 5） [89]。 二硫键存在于生物物质中，对稳定蛋白质的折叠结 构非常重要。本课题组[11] 制备了精氨酸-甘氨酸-天 冬氨酸序列（RGD）肽修饰的可注射酶交联 PGA 基 水凝胶。细胞黏附 RGD 配体通过二硫键与水凝胶 网络缀合，并提升了细胞对水凝胶的黏附性能。同 时，以含−SH 的谷胱甘肽分子处理调控水凝胶中 RGD 的表达，可使水凝胶具有可调节的生物活性。 此外，硫醇功能化高分子和丙烯酸酯或甲基丙烯酸 酯聚合物能在生理条件下原位形成水凝胶且没有副产物。其中硫醇化壳聚糖通过与富含半胱氨酸的黏液糖 蛋白结构区域形成二硫键而显示出较强的黏合性。Zeng 等[90] 由聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和 CSS 制备了硫 醇 -丙烯酸酯生物黏合水凝胶。该水凝胶的黏合强度高于纤维蛋白胶的相应值。 CSS 上 的 ― SH 具有生物反应活性，可以与―COOH、―OH、―SH或其他基团反应，而这些活性基团多存在于生物组织的主 要成分蛋白质、糖类和脂肪中。CSS 上的―SH与生物组织中的活性基团间的反应提高了该水凝胶的黏合强 度，且黏合强度显著高于普通市售的纤维蛋白的相应值。该课题组还制备了―SH 接枝儿茶酚-共轭壳聚糖水 凝胶[85]。质量分数 4% 的儿茶酚-共轭壳聚糖水溶液可以在 1 min 或更短的时间内原位快速形成水凝胶。水 凝胶中的硫醇基团不仅提供了抗氧化机制保护了还原形式的儿茶酚，而且丰富的硫醇基团与生物组织活性 基团形成的二硫键或产生的迈克尔加成反应提高了水凝胶的黏合强度。由硫醇化高分子组成的水凝胶有望 作为软组织黏合剂。 在生物黏合水凝胶系统中，纤维蛋白水凝胶因其促细胞黏附、增殖、干细胞分化及促血管生成性能而引 起广泛关注[91-93]。纤维蛋白水凝胶是由纤维蛋白原形成的可降解生物高分子，其凝胶化过程主要模仿凝血级 联的最后一步并产生纤维蛋白凝块。纤维蛋白水凝胶中的纤维蛋白原和凝血酶是血液凝固过程涉及的主要 成分，纤维蛋白原通过凝血酶的介导转化为纤维蛋白，纤维蛋白通过凝血因子交联固化成纤维蛋白水凝胶网 络结构[94, 95]。纤维蛋白可通过共价键、氢键或其他机械互锁与生物组织结合提高纤维蛋白水凝胶的黏合强 Polymer Polymer Polymer Polymer Mucin Mucin Oxidation Mucin Mucin Mucin Mucin SH SH SH S S S S S S S S 图 5 硫醇和黏蛋白形成二硫键的机理[89] Fig. 5 Forming mechanism of disulfide bond between thiomer and mucin[89] 132 功 能 高 分 子 学 报 第 33 卷
第2期 林柏仲,等:生物黏合水凝胶研究进展 133 度。纤维蛋白水凝胶用于生物体后,可以被纤溶酶和基质金属蛋白酶等蛋白酶降解,降解产物可被巨噬细胞 昋噬并最终被身体吸收。此外,增加凝血酶的浓度会加速水凝胶的凝胶化并产生更细的纤维结构和更密集 交联的网络结构,而降低凝血酶浓度则导致水凝胶具有更高的孔隙率。即使纤维蛋白水凝胶具有较好的生 物降解性和生物黏合性,其在组织工程中的应用仍然存在着力学性能差和潜在的疾病传播风险等障 碍吣η。目前可以通过化学改性纤维蛋白水凝胶的结构来改善水凝胶的力学性能和水凝胶的收缩问题。京 尼平作为一种低毒性源自栀子果实的天然交联剂,当其与纤维蛋白交联后所得到的纤维蛋白水凝胶力学性 能良好吣咧。优异的生物相容性、可控的降解速率、黏合性和原位固化能力的结合使纤维蛋白水凝胶在组织 工程应用中具有较大潜力 基于醛基和生物组织中氨基的席夫碱反应,酶催化苯酚类化合物相互反应形成寡聚体进一步形成的原 位水凝胶,和通过自由基聚合制备的生物黏合水凝胶,以及采用小分子天然生物交联剂或大分子交联剂得到 的化学交联水凝胶用于生物黏合均具有性能可控的特性。物理交联的温度敏感水凝胶和碱基水凝胶也具有 较好的生物黏合力,这些水凝胶在生物医学领域中均具有潜在的应用价值。基于DOPA和其他邻苯二酚衍 生物可制备具有化学和物理协同交联作用的黏合水凝胶,有望为设计多功能生物黏合水凝胶开辟新思路。 将生物与生化相结合,通过硫醇与生物组织中的活性基团的反应或通过纤维蛋白与生物组织的结合可提髙 水凝胶的黏合力并促进其应用。生物黏合水凝胶均应具有生物相容性、可生物降解性、快速交联、易于应 用、黏合力较强、黏合力可调且持久的特性,能够促进组织再生和伤口愈合也是理想黏合剂的特点之 2生物黏合水凝胶的生物医学应用 2.1伤口愈合 慢性伤口或创面极易受多种致病菌的感染,如大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球 菌、丝状真菌和酵母等。其中耐甲氧西林金黄色葡萄球菌及绿脓杄菌感染可导致严重的组织损伤,甚至脓毒 血症等并发症。为了避免伤口感染,伤口敷料应具有良好的抗菌活性。在生物黏合水凝胶中加入抗菌剂或 直接使用具有抗菌活性的材料可有效治疗伤口感染。生物黏合水凝胶负载的抗菌剂包括金属纳米粒子、石 墨烯、抗菌肽以及有机抗菌剂如环丙沙星、万古霉素和氯霉素等。抗菌纳米粒子(TiO2、ZnO、SiO2和 AuNPs等)已被引入生物黏合水凝胶体系中,它们可吸收皮肤组织ECM中的许多蛋白质链(如胶原蛋白)并 可用作网络结构之间的连接体o0lMao等将Ag/Ag@ AgCl/zno杂化纳米结构嵌入水凝胶中,ZnO释 放的Zn2可促进成纤维细胞对真皮和创面周围皮下组织的增殖和分化。此外Ag通过提高与抗菌活性有关 的光催化活性也能增强ZnO的抗菌活性。因此,在体内实验中Ag和Zn2产生的协同抗菌作用加速了伤口愈 合。天然高分子壳聚糖不仅具备止血和抑菌作用,还能以多种形式用于组织再生。 Hoque等10利用聚醛和 聚阳离子相互反应并与ECM交联相互作用,将壳聚糖衍生物N-2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖作为抗菌成 分,与聚葡聚糖醛共混原位制备了具有抗菌活性的生物黏合水凝胶。在评估大鼠伤口愈合实验中,该生物 黏合水凝胶的创面愈合率高达(78±9)%,表现出良好的伤口愈合性能,有望应用于临床伤口治疗。另一种常 用的天然多糖HA具有良好的生物相容性以及促进细胞增殖的能力0,在部分降解后可诱导血管生成。 合成聚乙烯基膦酸(PVA)由于能够在水凝胶中形成3D网络并与血清蛋白相互作用,可以増强细胞黏附和 增 22心肌组织工程 心肌梗塞(M)是目前世界上最常见的死亡原因之一,导电水凝胶有利于电学信号传导可促进M后受损 心脏功能的重建0导电水凝胶因其高含水量和与天然软组织的分子相似性而成为M治疗的软导体之 。导电水凝胶通常采用导电聚合物,如聚苯胺和聚吡咯,使其具有固有的电子传导性能。此外,将具有导 电功能的碳纳米管o-、炭黑叫,H和金属纳米粒子等与传统水凝胶相结合制备导电生物材料,能 够提高材料的导电性并促进细胞成熟和组织再生。为了实现与皮肤、心脏和其他组织的黏附,导电水凝胶还 应具有黏合性能。 Liang等通过re触发的含有DoPA的超支化聚吡咯的原位凝胶化反应制备了可涂覆 和快速黏合的导电水凝胶贴片。Fe3作为固化剂可以引发超支化聚吡咯中端基吡咯的聚合,使吡咯基团均匀 分布在所形成的水凝胶中,避免吡咯单体的毒性和泄漏,可直接用于机体。此外,Fe作为固化剂还可以在
度。纤维蛋白水凝胶用于生物体后，可以被纤溶酶和基质金属蛋白酶等蛋白酶降解，降解产物可被巨噬细胞 吞噬并最终被身体吸收。此外，增加凝血酶的浓度会加速水凝胶的凝胶化并产生更细的纤维结构和更密集 交联的网络结构，而降低凝血酶浓度则导致水凝胶具有更高的孔隙率。即使纤维蛋白水凝胶具有较好的生 物降解性和生物黏合性，其在组织工程中的应用仍然存在着力学性能差和潜在的疾病传播风险等障 碍[96, 97]。目前可以通过化学改性纤维蛋白水凝胶的结构来改善水凝胶的力学性能和水凝胶的收缩问题。京 尼平作为一种低毒性源自栀子果实的天然交联剂，当其与纤维蛋白交联后所得到的纤维蛋白水凝胶力学性 能良好[98, 99]。优异的生物相容性、可控的降解速率、黏合性和原位固化能力的结合使纤维蛋白水凝胶在组织 工程应用中具有较大潜力。 基于醛基和生物组织中氨基的席夫碱反应，酶催化苯酚类化合物相互反应形成寡聚体进一步形成的原 位水凝胶，和通过自由基聚合制备的生物黏合水凝胶，以及采用小分子天然生物交联剂或大分子交联剂得到 的化学交联水凝胶用于生物黏合均具有性能可控的特性。物理交联的温度敏感水凝胶和碱基水凝胶也具有 较好的生物黏合力，这些水凝胶在生物医学领域中均具有潜在的应用价值。基于 DOPA 和其他邻苯二酚衍 生物可制备具有化学和物理协同交联作用的黏合水凝胶，有望为设计多功能生物黏合水凝胶开辟新思路。 将生物与生化相结合，通过硫醇与生物组织中的活性基团的反应或通过纤维蛋白与生物组织的结合可提高 水凝胶的黏合力并促进其应用。生物黏合水凝胶均应具有生物相容性、可生物降解性、快速交联、易于应 用、黏合力较强、黏合力可调且持久的特性，能够促进组织再生和伤口愈合也是理想黏合剂的特点之一。 2 生物黏合水凝胶的生物医学应用 2.1 伤口愈合 慢性伤口或创面极易受多种致病菌的感染，如大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球 菌、丝状真菌和酵母等。其中耐甲氧西林金黄色葡萄球菌及绿脓杆菌感染可导致严重的组织损伤，甚至脓毒 血症等并发症。为了避免伤口感染，伤口敷料应具有良好的抗菌活性。在生物黏合水凝胶中加入抗菌剂或 直接使用具有抗菌活性的材料可有效治疗伤口感染。生物黏合水凝胶负载的抗菌剂包括金属纳米粒子、石 墨烯、抗菌肽以及有机抗菌剂如环丙沙星、万古霉素和氯霉素等。抗菌纳米粒子（TiO2、ZnO、SiO2 和 AuNPs 等）已被引入生物黏合水凝胶体系中，它们可吸收皮肤组织 ECM 中的许多蛋白质链（如胶原蛋白）并 可用作网络结构之间的连接体[100, 101]。Mao 等[102] 将 Ag/Ag@AgCl/ZnO 杂化纳米结构嵌入水凝胶中，ZnO 释 放的 Zn2+可促进成纤维细胞对真皮和创面周围皮下组织的增殖和分化。此外 Ag 通过提高与抗菌活性有关 的光催化活性也能增强 ZnO 的抗菌活性。因此，在体内实验中 Ag+和 Zn2+产生的协同抗菌作用加速了伤口愈 合。天然高分子壳聚糖不仅具备止血和抑菌作用，还能以多种形式用于组织再生。Hoque 等[103] 利用聚醛和 聚阳离子相互反应并与 ECM 交联相互作用，将壳聚糖衍生物 N-2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖作为抗菌成 分，与聚葡聚糖醛共混原位制备了具有抗菌活性的生物黏合水凝胶。在评估大鼠伤口愈合实验中，该生物 黏合水凝胶的创面愈合率高达（78 ± 9）%，表现出良好的伤口愈合性能，有望应用于临床伤口治疗。另一种常 用的天然多糖 HA 具有良好的生物相容性以及促进细胞增殖的能力[104, 105]，在部分降解后可诱导血管生成。 合成聚乙烯基膦酸（PVPA）由于能够在水凝胶中形成 3D 网络并与血清蛋白相互作用，可以增强细胞黏附和 增殖。 2.2 心肌组织工程 心肌梗塞（MI）是目前世界上最常见的死亡原因之一，导电水凝胶有利于电学信号传导可促进 MI 后受损 心脏功能的重建[106]。导电水凝胶因其高含水量和与天然软组织的分子相似性而成为 MI 治疗的软导体之 一。导电水凝胶通常采用导电聚合物，如聚苯胺和聚吡咯，使其具有固有的电子传导性能。此外，将具有导 电功能的碳纳米管[107-110]、炭黑[111, 112] 和金属纳米粒子[113, 114] 等与传统水凝胶相结合制备导电生物材料，能 够提高材料的导电性并促进细胞成熟和组织再生。为了实现与皮肤、心脏和其他组织的黏附，导电水凝胶还 应具有黏合性能。Liang 等[113] 通过 Fe3+触发的含有 DOPA 的超支化聚吡咯的原位凝胶化反应制备了可涂覆 和快速黏合的导电水凝胶贴片。Fe3+作为固化剂可以引发超支化聚吡咯中端基吡咯的聚合，使吡咯基团均匀 分布在所形成的水凝胶中，避免吡咯单体的毒性和泄漏，可直接用于机体。此外，Fe3+作为固化剂还可以在中 第 2 期 林柏仲，等：生物黏合水凝胶研究进展 133
134 功能高分子学报 第33卷 性pH条件下与超支化聚合物中的DoPA基团结合,增强水凝胶的湿黏附。这种水凝胶贴片无需缝合或外部 光刺激,能够快速贴合到心脏表面。这种同时结合自发性黏附和导电性的功能性贴片鲜见报道。该导电黏 合水凝胶贴片能够在凝胶状态下流动,可以在潮湿状态下方便地涂覆和黏合到非平坦的组织表面,有效促进 心脏功能恢复并增强电生理信号的传导和梗塞心肌的血运重建。目前,除了将生物黏合水凝胶应用于 MI外,对于穿透性心脏损伤的密封和止血也需要湿组织壁和黏合剂之间的强黏附、维持血压的高力学强度 和组织再生的良好生物相容性。因此,Hong等时采用GeMA和邻硝基苄基类光扳机分子(NB)修饰的 HA(HA-NB)设计了一种模拟ECM成分的光反应型黏合剂,该水凝胶的有效湿黏附性质来自光生成的醛基 与组织表面上的氨基键合,其力学强度来自其两个内部共价交联网络。在UV照射后,甲基丙烯酸酯胶迅速 产生水凝胶的第一交联网络元素。同时,生物黏合水凝胶界面HANB上的一些光生醛基与组织蛋白的氨基 发生了席夫碱反应。水凝胶HA-NB上的光生醛基与聚甲基丙烯酸酯的氨基反应形成了第二交联网络。随 着反应的进行,剩余的醛基与组织表面的氨基和聚甲基丙烯酸酯反应以结合组织并增加内部交联。两种化 学交联基质的产生使水凝胶的组织黏附和内部强度显著增强。该生物黏合水凝胶在紫外线照射后可以快速 黏附和密封出血动脉和心脏壁,这项研究为设计多功能性生物黏合水凝胶开辟了一条新途径。 23止血剂 人体自身的凝血过程分为初级止血和凝血级联,使血液转化为稳定的不溶性纤维蛋白,从而达到止血的 目的。采用纱布压迫、缝扎和电凝止血的传统止血方法,存在感染率高、血源性疾病传播和组织反应性等风 险16。此外,这些传统止血方法仅适用于轻微损伤,不能用于治疗大量出血,特别是心血管、肝脏、肾脏 骨科和脊柱手术的出血控制口。传统止血剂纤维蛋白胶的力学强度弱,而氰基丙烯酸酯的细胞毒性大 均不适合体内临床止血。因此,开发生物相容性好、可生物降解和固化快的生物黏合水凝胶用于止血剂 成为研究热点。wang等a使用聚赖氨酸接枝的PEG和酪胺通过酶促交联反应制备了原位水凝胶。聚赖氨 酸会刺激血小板聚集和促使纤维蛋白原凝胶化,具有优异的止血性能,而PEG具有良好的生物相容性,两者 的协同作用使该水凝胶能黏合周围组织并诱导血液凝固,可以用作局部止血剂。壳聚糖因其优异的组织黏 附性、止血活性和抗感染活性而被用作伤口敷料,用PEG修饰壳聚糖可以增强壳聚糖的水溶性。Li等12 用酪胺改性的PEG接枝壳聚糖,通过HRP和H2O2原位快速形成生物黏合水凝胶。当该水凝胶应用于大鼠 肝脏缺损或大鼠皮肤切口模型时,通过酶交联方法固化的水凝胶在5s内显示出优异的止血特性和伤口愈合 效果。因此,该原位可固化壳聚糖水凝胶具有伤口止血和愈合的应用潜力。此外,Ne等N采用硫醇改性壳 聚糖和ε-聚赖氨酸通过迈克尔加成反应开发了原位壳聚糖ε-聚赖氨酸黏性水凝胶,该水凝胶可用作黏合密封 剂和止血剂,在治疗大鼠肝脏出血时显著阻止出血,其优异的止血性能使其具有用于新型组织密封剂和止血 剂的潜力。 骨组织修复 由于缺乏血液供应和神经支配,关节软骨的自我修复能力有限,而采用组织工程技术,利用生物材料组 织工程技术进行软骨修复是行之有效的手段。生物材料可以以两种形式用于关节软骨治疗:一种是作为永 久性植入物来替换受损软骨;另一种是作为细胞载体材料以促进组织再生。生物材料作为骨修复基质可以 促进细胞增殖和分化以及组织形成。硫酸软骨素(CS)是一种用于骨修复的基础材料,它来源于动物软骨和 体内其他组织,可以改善伤口愈合,有助于恢复关节炎的关节功能12.124将CS引入到水凝胶中可以促进细 胞増殖,增加软骨ECM沉积,从而显著促进软骨形成。Lu等采用点击化学和动态酰腙键交联制备了生 物黏合水凝胶,由于氧化硫酸软骨素中过量的醛基与动物组织中的氨基之间形成了席夫碱,使该水凝胶具有 优异的黏合性能。此外,将具有促进骨修复性能的骨形态发生蛋白生长因子引入到该水凝胶后,在体内颅骨修复 实验中发现颅骨缺损区域检测到新生骨组织。因此,该生物黏合水凝胶有应用于临床骨修复的潜力。Han 等2通过将聚多巴胺-硫酸软骨素(PDA-CS)复合物引入弹性PAM网络,开发了一种新型的组织黏合水凝胶 ( PDA-CS-PAM)。由于PDA上有大量的反应性儿茶酚基团,PDA和CS自组装形成软骨特异性复合物(PDA CS)。这种儿茶酚基丰富的PDA-CS复合物赋予水凝胶良好的细胞亲和力和组织黏附性,可以促进细胞黏附 和组织整合。与裸细胞相比,水凝胶中的PDA-CS复合物能更有效地发挥其对黏附细胞的作用,从而促进软 骨分化。由于 PDA-CS复合物和共价交联的PAM网络引起的非共价相互作用的协同效应,水凝胶表现出优 良的弹性和韧性,可以满足软骨修复的力学要求。该 PDA-CS-PAM水凝胶为软骨细胞生长和软骨再生创造 了一个无生长因子和仿生的微环境,提供了无生长因子软骨修复生物材料设计的新思路
性 pH 条件下与超支化聚合物中的 DOPA 基团结合，增强水凝胶的湿黏附。这种水凝胶贴片无需缝合或外部 光刺激，能够快速贴合到心脏表面。这种同时结合自发性黏附和导电性的功能性贴片鲜见报道。该导电黏 合水凝胶贴片能够在凝胶状态下流动，可以在潮湿状态下方便地涂覆和黏合到非平坦的组织表面，有效促进 心脏功能恢复并增强电生理信号的传导和梗塞心肌的血运重建。目前，除了将生物黏合水凝胶应用于 MI 外，对于穿透性心脏损伤的密封和止血也需要湿组织壁和黏合剂之间的强黏附、维持血压的高力学强度 和组织再生的良好生物相容性。因此，Hong 等[115] 采用 GelMA 和邻硝基苄基类光扳机分子（NB）修饰的 HA（HA-NB）设计了一种模拟 ECM 成分的光反应型黏合剂，该水凝胶的有效湿黏附性质来自光生成的醛基 与组织表面上的氨基键合，其力学强度来自其两个内部共价交联网络。在 UV 照射后，甲基丙烯酸酯胶迅速 产生水凝胶的第一交联网络元素。同时，生物黏合水凝胶界面 HA-NB 上的一些光生醛基与组织蛋白的氨基 发生了席夫碱反应。水凝胶 HA-NB 上的光生醛基与聚甲基丙烯酸酯的氨基反应形成了第二交联网络。随 着反应的进行，剩余的醛基与组织表面的氨基和聚甲基丙烯酸酯反应以结合组织并增加内部交联。两种化 学交联基质的产生使水凝胶的组织黏附和内部强度显著增强。该生物黏合水凝胶在紫外线照射后可以快速 黏附和密封出血动脉和心脏壁，这项研究为设计多功能性生物黏合水凝胶开辟了一条新途径。 2.3 止血剂 人体自身的凝血过程分为初级止血和凝血级联，使血液转化为稳定的不溶性纤维蛋白，从而达到止血的 目的。采用纱布压迫、缝扎和电凝止血的传统止血方法，存在感染率高、血源性疾病传播和组织反应性等风 险[116, 117]。此外，这些传统止血方法仅适用于轻微损伤，不能用于治疗大量出血，特别是心血管、肝脏、肾脏、 骨科和脊柱手术的出血控制[118]。传统止血剂纤维蛋白胶的力学强度弱[119]，而氰基丙烯酸酯的细胞毒性大， 均不适合体内临床止血[120]。因此，开发生物相容性好、可生物降解和固化快的生物黏合水凝胶用于止血剂 成为研究热点。Wang 等[121] 使用聚赖氨酸接枝的 PEG 和酪胺通过酶促交联反应制备了原位水凝胶。聚赖氨 酸会刺激血小板聚集和促使纤维蛋白原凝胶化，具有优异的止血性能，而 PEG 具有良好的生物相容性，两者 的协同作用使该水凝胶能黏合周围组织并诱导血液凝固，可以用作局部止血剂。壳聚糖因其优异的组织黏 附性、止血活性和抗感染活性而被用作伤口敷料，用 PEG 修饰壳聚糖可以增强壳聚糖的水溶性。Lih 等[122] 用酪胺改性的 PEG 接枝壳聚糖，通过 HRP 和 H2O2 原位快速形成生物黏合水凝胶。当该水凝胶应用于大鼠 肝脏缺损或大鼠皮肤切口模型时，通过酶交联方法固化的水凝胶在 5 s 内显示出优异的止血特性和伤口愈合 效果。因此，该原位可固化壳聚糖水凝胶具有伤口止血和愈合的应用潜力。此外，Nie 等[45] 采用硫醇改性壳 聚糖和 ε-聚赖氨酸通过迈克尔加成反应开发了原位壳聚糖/ε-聚赖氨酸黏性水凝胶，该水凝胶可用作黏合密封 剂和止血剂，在治疗大鼠肝脏出血时显著阻止出血，其优异的止血性能使其具有用于新型组织密封剂和止血 剂的潜力。 2.4 骨组织修复 由于缺乏血液供应和神经支配，关节软骨的自我修复能力有限，而采用组织工程技术，利用生物材料组 织工程技术进行软骨修复是行之有效的手段。生物材料可以以两种形式用于关节软骨治疗：一种是作为永 久性植入物来替换受损软骨；另一种是作为细胞载体材料以促进组织再生。生物材料作为骨修复基质可以 促进细胞增殖和分化以及组织形成。硫酸软骨素（CS）是一种用于骨修复的基础材料，它来源于动物软骨和 体内其他组织，可以改善伤口愈合，有助于恢复关节炎的关节功能[123, 124]。将 CS 引入到水凝胶中可以促进细 胞增殖，增加软骨 ECM 沉积，从而显著促进软骨形成。Lu 等[125] 采用点击化学和动态酰腙键交联制备了生 物黏合水凝胶，由于氧化硫酸软骨素中过量的醛基与动物组织中的氨基之间形成了席夫碱，使该水凝胶具有 优异的黏合性能。此外，将具有促进骨修复性能的骨形态发生蛋白生长因子引入到该水凝胶后，在体内颅骨修复 实验中发现颅骨缺损区域检测到新生骨组织。因此，该生物黏合水凝胶有应用于临床骨修复的潜力。Han 等[126] 通过将聚多巴胺-硫酸软骨素（PDA-CS）复合物引入弹性 PAM 网络，开发了一种新型的组织黏合水凝胶 （PDA-CS-PAM）。由于 PDA 上有大量的反应性儿茶酚基团，PDA 和 CS 自组装形成软骨特异性复合物（PDACS）。这种儿茶酚基丰富的 PDA-CS 复合物赋予水凝胶良好的细胞亲和力和组织黏附性，可以促进细胞黏附 和组织整合。与裸细胞相比，水凝胶中的 PDA-CS 复合物能更有效地发挥其对黏附细胞的作用，从而促进软 骨分化。由于 PDA-CS 复合物和共价交联的 PAM 网络引起的非共价相互作用的协同效应，水凝胶表现出优 良的弹性和韧性，可以满足软骨修复的力学要求。该 PDA-CS-PAM 水凝胶为软骨细胞生长和软骨再生创造 了一个无生长因子和仿生的微环境，提供了无生长因子软骨修复生物材料设计的新思路。 134 功 能 高 分 子 学 报 第 33 卷
