近期，北京大学工学院黄建永研究员课题组在科爱出版创办的期刊 Bioactive Materials 上发表研究论文：受细胞逆锁键行为的启发，设计了一种加载速率响应型水凝胶，实现了高效可逆的特异性界面粘附，并通过构建力-化学耦合模型定量地揭示了这种非线性动态响应的内在机制，为开发具有可编程粘附性能的智能水凝胶材料提供了新的仿生设计策略。
1、研究内容简介
作为传统手术缝合线、吻合器和医用胶的替代品，水凝胶粘合剂（Hydrogel adhesives, HAs）为高效的组织粘合提供了新的途径，近年来受到了广泛的关注。尽管水凝胶粘合剂的研发已经取得了一系列的进展和突破，但其临床应用仍面临着诸多现实挑战，例如：非特异性粘附导致的可操作性低、粘附强度不可调整造成的换药程序复杂等。
与人工合成的粘附材料相比，哺乳动物细胞与胞外基质之间由动态受-配体键介导的粘附不仅表现出高度的特异性，而且粘附强度受到力学信号的调控——具有对加载速度的依赖性（图1），甚至表现出“反常”的逆锁键（Catch bond）行为，即在较大拉力作用下反而具有更长的键合寿命。这种违反直觉的现象已被报道存在于多种蛋白受体-配体键中（如整合素、钙粘素和肌动蛋白），并被证明在调节细胞的行为和功能方面发挥着关键作用，例如细胞迁移、微丝解聚、T细胞受体抗原识别等。
图1：生物逆锁键启发的可逆、加载速率响应型特异性粘附水凝胶的设计原理
受此启发，研究人员设计了一种基于丙烯酸（AA）- N-丙烯酰基甘氨酰胺（NAGA）共聚物和单宁酸（TA）的氢键交联水凝胶（简称PNT水凝胶）。该水凝胶材料能够快速（~ 10 s）与极性生物材料表面（如皮肤、肌肉、心脏等）实现可逆的特异性粘附，并具有较强的稳定性（界面韧性~ 560 J m-2，剪切强度~ 70 kPa），而很难与非极性材料（如聚丙烯和聚苯乙烯）发生粘附，这有效提高了其可操作性，为外科手术中非极性材料和设备的使用提供了便利。与此同时，通过改变加载速率可以灵活地调整PNT水凝胶的粘附强度，当加载速率从5 mm min-1增加到500 mm min-1时，PNT水凝胶的剪切粘接强度和界面粘接韧性至少提高5~6倍（图2），这使得PNT水凝胶特别适用于人体活动部位伤口的闭合和组织修复（如果关节附近伤口闭合和修复），而且能在药物更换时实现可控的高效脱离，而不造成二次损伤。
图2：PNT水凝胶的力学性能、自修复性能、特异性粘附和加载速率敏感的粘附强度
为了进一步剖析这种由可逆氢键主导的界面粘附，研究人员提出了一个基于经典Bell-Evans理论框架的力-化学耦合模型，并结合Monte Carlo模拟等数值方法，定量地预测了PNT水凝胶-基底界面粘附对外部荷载的非线性动态响应行为，揭示了加载速率敏感这一特性的内在力-化学耦合机制（图3）。
图3：加载速率敏感型水凝胶-基底界面粘附的力-化学耦合模型
此外，PNT水凝胶也具有良好的生物相容性、抗氧化和抗菌特性，在模拟临床换药程序下显著促进了大鼠皮肤伤口的愈合（图4），具有良好的临床转化潜力。
图4：PNT水凝胶的生物相容性、抗氧化和抗菌性，以及促进伤口愈合的能力
该项工作不仅提供了一种适用于多种生物医学应用的刺激响应型水凝胶粘合剂材料，而且为力响应药物递送、柔性电子和软体机器人等新兴领域的智能材料开发提供了新的思路。
