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麦吉尔大学李剑宇教授Science:新发现,用超声来控制水凝胶的生物粘附性,超强,可按需粘附!

高分子科学前沿

2022-08-12 07:52浙江

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生物粘附技术在可穿戴电子产品,生物医学植入物,伤口处理,吻合术,再生医学和药物输送中起到至关重要的作用。然而,生物粘合剂长期以来一直受到生物组织的屏障作用的阻碍,限制了生物粘附剂的渗透和结合。这些问题对于基于物理相互作用的生物粘附剂(例如聚合物相互渗透)尤其重要;聚合物扩散太慢,甚至不可能与组织纠缠,导致生物粘附性差。到目前为止,化学策略主要用于强力生物粘附。尽管实现了高粘附能,但它们无法在空间和时间上对生物粘附进行高水平的控制。如特殊情况下需要复杂的表面图案,外源化学品和外部设备来消除界面粘合。此外,化学生物粘合剂还有其他缺点包括干扰药物输送的有效载荷,低疲劳阈值(由组织表面上的有限官能团引起)以及急性和/或慢性毒性(由化学反应及其试剂引起)等。所以,研究人员长期以来一直在寻找能够承受人体环境的粘合剂。

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为了形成和控制坚韧的生物粘附力,加拿大麦吉尔大学机械工程系李剑宇教授联合苏黎世联邦理工大学Outi Supponen教授使用超声波推动聚合物链更深更快地进入生物组织,推进了拓扑学粘附的概念。超声波使生物组织与放在顶部的水凝胶相互作用。在与水凝胶建立接触之前,天然聚合物溶液(如壳聚糖、纤维素纳米晶体或明胶)被铺展在组织上,然后用超声波处理接触区域。超声波产生空化微泡,推动引物分子进入组织,从而产生强烈的机械缠结。除了这种缠结外,引物聚合物链还与周围组织形成静电、疏水或氢键。这种拓扑学和物理亲和力的结合导致了水凝胶和组织之间的强粘性,而不需要进行化学反应。相关成果以“Controlled tough bioadhesion mediated by ultrasound”为题发表在最新一期Science上,第一作者为Zhenwei Ma

超声介导的生物粘附是通过两个步骤实现的。首先,使用超声波换能器(20 kHz),对铺在组织基底上的引物溶液或锚定剂悬浮液施加超声波。然后,用水凝胶贴片覆盖处理区域,这将触发界面上锚定剂的凝胶化(图1B)。作为一个模型系统,作者部署了壳聚糖溶液和聚丙烯酰胺-海藻酸盐水凝胶,分别作为引物溶液和水凝胶贴片。作者通过剥离试验测量水凝胶和组织之间的粘附能量(图1C)。通过超声处理(116 W cm-2,1分钟),在猪皮肤上获得的粘附能量为~1750 J m-2,是无超声处理对照的15倍以上(图1D)。粘附能量在1分钟内达到~100 J m-2,并且在10分钟内趋于平稳。并且此方法适用于大量的材料,具有普适性。除皮肤外,此粘合方法也适用于其他生物组织,包括颊粘膜和主动脉(图1E)。超声介导的生物粘附的多样性及其在纳米粒子生物粘附中不可或缺的作用,释放了各种材料在坚韧的生物粘附中的潜力。

图1坚固且用途广泛的超声介导的强韧生物粘附

作者认为超声主要对引物溶液和组织基质施加热和机械效应。其中,空化作用在超声过程中发挥了关键作用。作者采用实验与理论建模相结合的方法来验证这一猜想,作者首先将空化和生物粘附作为超声强度的一个函数来表征。空化现象表现为超声传感器下的动态微气泡云(图2A,B)。空化强度的峰值被量化为每个周期中微泡云的最大面积(图2C)。超声大大增强了空化的峰值强度,但当强度高时,效果就会减弱(图2D)。在改良的搭接-剪切试验中得到了类似的界面粘附能量的趋势(图2E)。水凝胶和猪皮肤之间的粘附能量和剪切强度随着超声强度的增加而增加(图2F,G),并且两者都显示出与气泡峰值强度呈线性关系(图2H)。为了进一步研究超声对界面结合的影响,作者还进行了疲劳断裂试验。结果证实了强烈的界面相互作用的存在,而这种作用通常只有在共价键的情况下才能观察到,与由相互扩散(例如纠缠)引起的通常较弱的物理相互作用相反。

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图2 .超声诱导的空化调节生物粘附

接下来,作者证明了超声的处理方式是导致了坚韧的生物粘附性的原因。因为超声的效果与换能器和组织之间的距离成比例,作者通过简单地操纵超声换能器从而控制生物粘附的大小和空间(图3A)。粘附能量随着d的增加而减少,当d>4mm时,超声就没有效果了(图3b)。距离d也可以调解生物粘附的面积(图3c)。坚韧的粘附面积随着换能器和组织之间的间隙而减少(图3D)。此外,作者还对角质和基质之间的超声换能器产生的声场进行了理论建模以验证上述结果。理论建模结果与实验结果一致。除了展示空间控制外,作者还证明了超声可以实现对生物粘附的时间控制,这是粘合领域的一大进步。

图3超声介导的生物粘附的空间控制

最后,作者用啮齿动物模型验证了超声介导的生物粘附的安全性和有效性(图4A)。生物粘附力可以在几分钟内有选择的粘附在超声处理的圆形区域,表明了空间控制的粘附性(图4B)。通过测试新鲜切除的大鼠皮肤,作者证实了用超声在体内实现的高粘附能量(图4C)。组织学评估认为,超声或生物粘合剂没有造成明显的组织损伤或急性炎症(图4,D-F)。

图4体内测试

小结:作者报导了超声介导的生物粘附,以精确控制水凝胶在空间和时间的生物粘附。与药物洗脱水凝胶一起,此策略能够同时实现坚韧的生物粘附和蛋白质的透皮输送。并且此策略具有普遍适用性,有望对从可穿戴设备到药物输送等广泛领域产生影响。

作者简介

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李剑宇教授现为麦吉尔大学机械系和生物医学系教授。他本科毕业于浙江大学高分子系,博士毕业于超声哈佛大学材料与机械系。他于2015-2017年在哈佛大学Wyss仿生工程研究所从事博士后研究。他的研究方向包括软生物材料的设计、力学和生物医学应用。他的研究成果发表在Science, Nature Reviews Materials, Science Advances, Nature Communications 和 ACS Nano等。他的研究工作得到了新英格兰医学杂志和多家国际媒体的广泛报道,包括英国广播电台(BBC), 超声国家公共电台(NPR),华盛顿邮报等。

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来源:高分子科学前沿

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