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