华南理工大学边黎明教授课题组《Sci. Adv.》：遇水自发形成水凝胶并在湿润动物组织表面形成强韧黏附的粉末

非金非土非木 2021年7月2日浏览：1981

能在湿润动物组织表面形成强韧湿黏附（wet adhesion）的水凝胶受到了越来越多的关注。目前主要由两种策略实现水凝胶强韧的湿黏附，一是将制备好的黏附水凝胶按压在组织上；二是将水凝胶前体溶液滴在湿润组织表面，然后再给予刺激，使溶液原位形成水凝胶并粘附在组织上。但是，组织上的界面水（interfacial water）和通过化学键交联的水凝胶网络极大地限制了水凝胶和湿润组织之间的黏附作用。为了消除界面水和化学交联对水凝胶形成强韧黏附的限制，边黎明教授团队制备了一种能吸收动物组织表面的界面水并在原位形成具有强韧黏附水凝胶的聚乙烯亚胺/聚丙烯酸（PEI/PAA）粉末。

PEI/PAA粉末的制备过程如图1a所示，将PEI和PAA水溶液充分混合得到PEI/PAA复合物。随后将PEI/PAA复合物经过冷冻干燥和粉碎后，就能得到PEI/PAA粉末。基于高分子之间强物理作用和高分子的扩散，PEI/PAA粉末能快速吸水并在2秒内形成水凝胶（图1）。

华南理工大学边黎明教授课题组《Sci. Adv.》：遇水自发形成水凝胶并在湿润动物组织表面形成强韧黏附的粉末的图1

图1. PEI/PAA粉末的制备及其遇水形成水凝胶的过程。

将PEI/PAA粉末洒在湿润的基板上后，PEI/PAA粉末能快速吸收界面水形成PEI/PAA水凝胶。同时，PEI/PAA水凝胶表面的官能团能和基板表面的官能团通过物理作用结合，从而能在2秒内促发黏附。随后，水凝胶中通过物理作用交联的高分子能扩散到基板的网络里，和基板的网络形成互穿网络，增强水凝胶的黏附作用。将粉末洒在聚丙烯酰胺水凝胶和多种动物组织表面后，PEI/PAA粉末能快速吸收界面水在原位形成水凝胶并黏附在基板上。随后将样品浸泡在溶液30天或者12小时，水凝胶仍然能牢固地黏附在基板上（图2）。除此之外，PEI/PAA粉末还能作为密封剂，有效地修补猪胃和猪小肠的穿孔（视频1和2）。

华南理工大学边黎明教授课题组《Sci. Adv.》：遇水自发形成水凝胶并在湿润动物组织表面形成强韧黏附的粉末的图2

图2. PEI/PAA粉末的湿黏附机理及其黏附行为。

视频1

视频2

为了进一步证实PEI/PAA粉末作为密封剂的有效性，以大鼠的胃穿孔为模型，对比了传统缝线、纤维蛋白胶（fibrin glue）和PEI/PAA粉末促进胃穿孔愈合的效果。治疗7天后，从宏观来看，用PEI/PAA粉末治疗的伤口比缝合线和纤维蛋白凝胶治疗组表现出更好的愈合效果。H＆E染色显示，用PEI/PAA粉末治疗组的胃黏膜完全桥接，但是缝线组和纤维蛋白胶组穿孔处的黏膜并未愈合。另外，PEI/PAA粉末治疗组在肉芽组织中显示出最高的PCNA（增殖细胞核抗原，G1/S期的增殖细胞的标志物）阳性上皮细胞百分比和最高的血管密度。综上，PEI/PAA粉末能有效地密封胃穿孔并促进伤口的愈合（图3）。

华南理工大学边黎明教授课题组《Sci. Adv.》：遇水自发形成水凝胶并在湿润动物组织表面形成强韧黏附的粉末的图3

图3. 利用PEI/PAA粉末、缝线和纤维蛋白胶治疗大鼠胃穿孔的对比。

由于该粉末具有极强的湿黏附且制备使用极其简单，相信该粉末的应用能被进一步拓展到止血剂、药物载体和可穿戴器件等应用上。这项研究结果于近期以“Ultrafast self-gelling powder mediates robust wet adhesion to promote healing of gastrointestinal perforations”为标题发表在《Science Advances》上。

该工作第一作者为香港中文大学生物医学工程系彭欣博士，合作通讯作者是香港中文大学外科学系赵伟仁教授，通讯作者边黎明教授。

文章链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/23/eabe8739

作者简介：

边黎明教授2021年入职华南理工大学生物医学科学与工程学院，现任长江学者特聘教授。边教授长期致力于发展先进纳米材料与水凝胶材料在生物医学领域的应用，并且逐渐建立了从基础材料学，生物医学研究到医疗应用研究的多方向的深度研究。边教授课题组近期在高水平学术期刊发表多篇论文。

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