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