顶刊趋势 | Nature等10篇顶刊，赵选贺、郭保林、刘文广、邱东、赵强、赵瑾等人带你了解神奇的医用粘合剂！
奇物论
现代医学的理念是要最大限度地减少病人的痛苦，最快速度地让病人康复，而且在最大程度的恢复功能的同时，希望外观也能完美的恢复。临床需求的不断增加推动了医用粘合技术的发展。
医用粘合剂的使用历史悠久，但直到近几十年才得到了迅速的发展。医用粘合剂的种类很多，按其材料性质可分为化学粘合剂和生物粘合剂。按其用途，其粘合作用在人体生物细胞中涉及以下儿个方面：(1)细胞之间的粘合；(2)人体内部活性组织与无活性部分的粘合；(3)人体组织与外部物质之间的粘合。其具体分类为：软组织用粘合剂、牙科用粘合剂、骨科粘合剂及皮肤用压敏胶等。
目前普遍使用的医用粘合剂或多或少都存在一些缺点，理想的医用粘合剂还没有问世，所以科学家们还在努力探索，以期研究出完美的医用粘合剂。
在此，奇物论编辑部精选10篇有关医用粘合剂的文章，供大家学习交流。
1. Nature：干式双面胶带用于粘接湿组织和植入设备
通过分子间的作用力，如氢键、静电相互作用和范德华相互作用，两个干燥的表面可以瞬间附着在一起。然而，当涉及到身体组织等湿表面时，这种瞬间粘附是具有挑战性的，因为水将两个表面的分子分开，阻止了相互作用。虽然与缝合或吻合术相比，组织粘接剂具有潜在的优势，但现有的液体或水凝胶组织粘接剂存在着粘接力弱、生物相容性差、与组织机械匹配差、粘接形成缓慢等缺陷。近日，美国麻省理工学院赵选贺研究小组，开发出一种替代的组织粘合剂，其形式为干式双面胶带（DST），由生物聚合物（明胶或壳聚糖）和接枝有N-氢琥珀酰亚胺酯的交联聚丙烯酸组成。
本文要点：
1）这种DST的粘附机制取决于从组织表面去除界面水，从而导致与表面的快速临时交联。随后与组织表面上的胺基进行共价交联进一步改善了DST的粘附稳定性和强度。
2）体外小鼠、体内大鼠和体外猪模型表明，DST可以在五秒钟内在各种湿动态组织和工程固体之间实现强力粘附。DST可用作组织粘合剂和密封剂，以及将可穿戴和可植入设备粘附到湿组织上。
HyunwooYuk, Claudia E. Varela, Christoph S. Nabzdyk, et al. Dry double-sided tape foradhesion of wet tissues and devices. Nature, 2019.
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1710-5
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1710-5
2. Nature Commun.: 纳米晶排排队，即达仿生效果！（点击查看深度解读）
受肌腱/韧带/软骨和骨骼之间纳米结构界面的启发，麻省理工学院赵选贺和华中科技大学臧剑锋等人将合成水凝胶的有序纳米晶结构域结合到工程材料上，由此产生抗疲劳的粘合，界面疲劳阈值为800J m−2，这是因为与无定形聚合物链相比，界面处的疲劳裂纹扩展需要更高的能量来破坏有序的纳米结构。
Liu,J.,et al. Fatigue-resistant adhesion of hydrogels. Nat Commun 11, 1071 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-14871-3
3. Science Translational Medicine: 载细胞工程水凝胶促进大鼠颅面骨组织再生
载有细胞的水凝胶广泛用于组织工程和再生医学。但是，这些水凝胶中有许多并未针对在暴露于血液和唾液的口腔环境中进行优化。为了解决这些挑战，加州大学洛杉矶分校Alireza Moshaverinia和Tara Aghaloo等人设计了一种具有可调机械性能的海藻酸钠基粘合剂、光交联和骨导电水凝胶生物材料（AdhHG）。
本文要点：
1） 工程水凝胶作为可注射间充质干细胞（MSC）载体应用于颅面骨组织工程。小鼠皮下植入证实了水凝胶的生物降解性、生物相容性和骨传导性。
2） 在成熟的大鼠种植体周围炎模型中，应用包裹牙龈间充质干细胞（GMSCs）的粘合水凝胶，可使种植体周围的骨完全再生，并伴有种植体周围的骨丢失
总而言之，研究人员已经开发出一种独特的生物启发性粘附水凝胶，具有可调的机械性能和生物降解性，能够有效地传递患者来源的牙科MSCs。水凝胶是光交联的，并且由于存在MSC聚集体和羟基磷灰石微粒，可促进颅面组织工程应用中的骨再生。
Hasani-SadrabadiMM, et al. An engineered cell-laden adhesive hydrogel promotes craniofacialbone tissue regeneration in rats. Science Translational Medicine.2020;12(534):eaay6853.
https://doi.org/10.1126/scitranslmed.aay6853
4. AM: 水引发聚合胶粘剂: 从水下胶黏剂到快速止血
尽管近年来研究者们在生物激发型粘合剂方面取得了进展，但要在水环境和血液环境中实现强粘附和密封止血仍是一个挑战。天津大学刘文广教授课题组基于多乙烯基单体与多巴胺的迈克尔加成反应，设计并合成了一种具有疏水骨架和亲水邻苯二酚侧支的超支化聚合物(HBP)。
本文要点：
1）结果表明，与水接触时，HBP的疏水链能够快速聚合形成团聚体，取代附着表面的水分子来增加邻苯二酚基团的暴露，从而实现不同环境下材料的迅速粘连，比如在去离子水、海水、PBS和pH = 3~11范围下都可以实现。
2）此外，将长烷基胺引入这种模块化的超支化结构中有助于形成一种可注射的止血密封剂，一旦接触湿的组织，可迅速涂布固化，封闭创面，从而迅速止血，尤其是深度创面出血。
ChunyanCui, et al. Water‐Triggered Hyperbranched Polymer Universal Adhesives: From StrongUnderwater Adhesion to Rapid Sealing Hemostasis. Advanced Materials. 2019
DOI:10.1002/adma.201905761
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201905761
5. AM综述：仿生粘合剂架构:从皮肤贴片到集成式生物电子设备
自然界中有着各种层次结构的附着现象。有研究证明，利用这类现象可以在不使用任何化学胶水的情况下，在皮肤或湿润的内脏上开发出具有很好的生物相容性的胶粘剂。这种仿生的胶粘剂系统也已经成为重要的解决人机交互问题的智能有机连接设备，可以用于对疾病进行诊断和治疗。韩国成均馆大学Changhyun Pang教授课题组从独特的结构特性、物理相互作用的机制以及制备方法等方面综述了仿生粘接结构的研究进展；对仿生胶粘剂的医学应用，包括皮肤贴片和多功能生物电子设备等；最后也简要讨论了这一领域在当前所面临的挑战和未来的应用前景。
Baik,S., Lee, H.J. et al. Bioinspired Adhesive Architectures: From Skin Patch toIntegrated Bioelectronics. Advanced Materials, 2019.
DOI:10.1002/adma.201803309
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201803309
6. Chem.Soc. Rev.封面文章：仿生粘附水凝胶
作为一类独特的高分子材料，水凝胶在从纳米到微米各种尺度上具有相互连接的多孔网络，展现出很多结构衍生特性，包括高表面积，可容纳各种填充物，固有的柔韧性，可控制的力学性能以及优异的生物相容性。但由于其聚合物网络中含有大量的水，形成界面层，阻止水凝胶与基材之间的表面接触，导致其表面能降低，水凝胶的粘合性严重减弱。此外，水分子通过氢键与水凝胶中的粘合剂基团相互作用，大幅减少了水凝胶与固体材料之间的界面反应。当将水凝胶应用于大多数潮湿表面（人体，组织和生物胶）生物医学工程中时，情况将更加复杂。
在潮湿条件下研发粘附水凝胶的技术挑战类似于海洋生物所需要解决的水下粘附问题，它们可以在动态和湍流的水下环境中实现牢固的界面粘附。3,4-二羟基-L-苯丙氨酸（DOPA）是一种存在于其黏附蛋白中的生物大分子，已被证实能够促进与基材在水中的粘附。因此作为启发，使用仿生原理开发新型粘性水凝胶对揭示水下粘合机理具有极其重要的意义，同时亦为新型多功能平台的设计打开了大门。
东南大学章炜副教授，孙正明教授，华中科技大学赵强教授，滑铁卢大学赵博欣副教授与密西根州立大学Bruce P. Lee副教授等人总结了受贻贝启发的粘合水凝胶材料，并介绍了三个相互关联的主题，具体包括：水对水凝胶附着力的破坏机制；仿生大分子DOPA的水下粘附机理；以及粘附水凝胶在生物工程领域的应用。近年来，每个主题都引起了极大的兴趣，涉及广泛而深刻的跨学科挑战。综述概述了水凝胶材料在水下粘附中存在的技术困难，着重介绍了表征水凝胶水下力学性能的相关参数，以及依此建立水凝胶材料的实验设计和评估方法，并总结了仿生粘性水凝胶的独特性能、合成方法和制备工艺，提出了水下粘附机理的新见解。
这篇综述详细介绍了基于贻贝启发的邻苯二酚功能化粘性水凝胶材料的设计和开发研究进展。通过使用邻苯二酚官能团设计水凝胶，其与各类表面之间的水下粘附性得以显著加强，优异的内在特性使粘性水凝胶在各种生物医学领域中得到了广泛的应用，包括组织修复和再生，防污和抗菌应用，药物输送以及细胞封装和输送等。该领域目前已取得了突破性进展，但仍存在关键性挑战，亟待持续研究。
WeiZhang, et al. Catechol-functionalizedhydrogels: biomimetic design, adhesionmechanism, and biomedical applications, ChemicalSociety Reviews, 2020.
DOI:10.1039/C9CS00285E
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/c9cs00285e
7. AM：粘一粘，治愈骨折
众所周知，商业骨粘合剂的有效性因细胞生长的弱有效性而受到阻碍。大孔形成的策略，特别是生物活性大孔，有很大的希望可以避免这个问题，从而促进骨折愈合。于此，中科院化学研究所邱东、乔燕和北京大学第三医院周方等人研制了一种具有生物活性的含玻璃的大孔骨粘合剂，它能够促进骨源性间充质基质细胞向黏附层的迁移和向骨细胞的分化。将生物活性玻璃颗粒包裹的致孔剂整合到骨粘合剂中是这种方法的关键。观察到在骨粘合剂上的牢固的即时粘合和在小鼠颅骨上的骨再生的高效率，这两者对于临床应用和个性化手术程序都是至关重要的。这项工作代表了设计具有高细胞生长效率的生物材料的通用策略。
Xu,L., et al. Bioactive Pore‐Forming Bone Adhesives Facilitating Cell Ingrowth for FractureHealing. Adv. Mater. 2020, 1907491.
https://doi.org/10.1002/adma.201907491
8. AFM：一种物理双网络水凝胶粘合剂用于多药耐药细菌感染、伤口闭合、伤口愈合
开发具有高愈合效率和光热抗菌活性的物理双网络（DN）可移除水凝胶粘合剂，以应对多药耐药细菌感染、伤口闭合和伤口愈合仍然是一个持续的挑战。在此，西安交通大学郭保林等人设计了一种生理条件下可注射的物理DN自愈性水凝胶粘合剂，以治疗多药耐药细菌感染和全层皮肤切口/缺损修复。
本文要点：
1）该水凝胶胶粘剂由邻苯二酚-Fe3+配位交联聚（癸二酸甘油酯）-co-聚（乙二醇）-g-邻苯二酚和四氢键交联脲嘧啶酮改性明胶组成。它具有优异的抗氧化性、近红外/pH响应性和形状适应性。此外，该水凝胶具有快速自愈、良好的组织粘附性、降解性、光热抗菌活性以及近红外辐射和/或酸性溶液洗涤辅助可去除性。
2）体内实验证明，该水凝胶对皮肤创伤有良好的止血作用，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）杀伤率高，伤口闭合和皮肤切口愈合效果优于医用胶和手术缝合。特别是，它们可以通过调节炎症，加速胶原沉积，促进肉芽组织形成和血管化，显著促进全层皮肤缺损伤口的愈合。这些按需溶解和抗氧化的物理双网络水凝胶粘合剂是治疗体内MRSA感染、伤口闭合和伤口愈合的优秀多功能敷料。
XinZhao, et al. Physical Double‐Network Hydrogel Adhesives with RapidShape Adaptability, Fast Self‐Healing, Antioxidant andNIR/pH Stimulus‐Responsiveness for Multidrug‐Resistant Bacterial Infection and Removable Wound Dressing, Adv.Funct. Mater., 2020.
DOI:10.1002/adfm.201910748
https://doi.org/10.1002/adfm.201910748
9. AFM：“梦幻”生物粘合剂实现伤口闭合护理
大多数现有的生物粘合剂，即使是那些在伤口闭合效果上表现出优势的生物粘合剂，也不能有助于创伤后的闭合过程。在此，天津大学赵瑾等人报道了一种仿生的、原位形成的双动态键交联水凝胶生物粘合剂，该生物粘合剂能够有效地闭合开放性伤口，并实现伤口闭合后的护理。
本文要点：
1）邻苯二酚修饰的ε-聚-L-赖氨酸和氧化右旋糖酐被用作天然聚合物骨架，受海洋贻贝胶固化工艺的启发，通过席夫碱动态键和邻苯二酚-Fe配位动态键进行原位交联，形成水凝胶生物粘合剂。独特的双动态键交联结构赋予了生物粘合剂更高的机械强度和粘合强度，同时保持了快速解离和良好的自愈能力。因此，该生物粘合剂可以表现出多种理想的功能，例如按需溶解、可重复粘合、足以闭合伤口的粘附性和机械强度、可注射性和良好的生物相容性(DREAMING)。
2）在有效地闭合皮肤伤口后，该生物粘合剂可以很容易地移除或反复闭合再次开裂的伤口，从而实现伤口闭合后的护理。基于良好的伤口闭合功能和伤口闭合后护理的能力，该生物粘合剂在处理皮肤伤口方面显示出巨大的潜力。。
Sidi Li, et al. Bioinspired Double‐Dynamic‐BondCrosslinked Bioadhesive Enables Post‐Wound ClosureCare, Adv. Funct. Mater., 2020.
DOI:10.1002/adfm.202000130
https://doi.org/10.1002/adfm.202000130
10. AM：超疏液体仿生纤维粘合剂
仿生弹性原纤维表面具有可逆干粘合剂的潜力，但其粘合性能对接触界面处的液体敏感。正如它们的自然模型一样，许多人工模拟物可以有效地防水，但是当接触界面引入低表面张力的液体时，模拟就会失效。在此，马克斯·普朗克智能系统研究所Metin Sitti等人提出了一种仿生纤维状粘合表面，该粘合剂在保持其粘接性能的同时，即使对超低表面张力的液体也具有超疏液性。
本文要点：
1）该仿生纤维状粘合表面结合了蘑菇形原纤维阵列的有效粘附原理和基于双凹角原纤维尖端几何形状的疏液性。该方法可使原纤维尖端表面保持光滑，以获得高的干附着力，并且不涉及表面化学修饰。研究表明，即使是在很小的预紧力（约为1 mN）下，其拉力也比平滑表面控制的粘合剂高五倍左右。
2）即使在接触界面上添加低表面张力的液体，所提出的微纤维结构的粘接性能也能得以保留。极高的疏液性使纤维状粘合剂能够在现实世界中应用于被水、油和其他液体覆盖的表面。
3）此外，全弹性超疏液体表面在机械上不易碎，对物理接触的抵抗力强，并且高度可变形和可拉伸，这可以增加此类防湿表面的实际用途。而且基于可伸缩成型的制造工艺，未来可大规模生产这种疏液纤维化粘合剂，以用于服装封盖、机器人技术、汽车工业、医疗设备、便携式电子产品及可能含油的制造业或接触界面含其他液体的工业中。
Ville Liimatainen, et al. Liquid-Superrepellent Bioinspired FibrillarAdhesives. Adv. Mater. 2020, 2000497.
DOI:10.1002/adma.202000497.
https://doi.org/10.1002/adma.20200049
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