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一觸即合，再難不倒！天然蛋白基油水凝膠粘合劑讓修復工作更精準、更高效

文章來源：賢集網更新時間：2024-09-18 15:51:06

在生物醫學的廣闊領域中，水凝膠正以其獨特的性能和廣泛的應用潛力，成為眾多科研人員關注的焦點。從藥物輸送到組織工程，從傷口敷料到診斷傳感器，水凝膠在生物醫學的各個方面都發揮著至關重要的作用。讓我們一同深入探索水凝膠在生物醫學領域的奇妙應用。

一、水凝膠的潛力與挑戰

在先進工程材料的廣闊領域中，水凝膠展現出巨大的發展潛力。然而，傳統水凝膠存在強度低、易碎等問題，成為其廣泛應用的阻礙。為解決這些難題，科研人員積極探索增韌機制。天然水凝膠以其獨特的分級結構為研究提供了思路。自 2000 年以來，科研人員通過引入結構創新和能量耗散機制，如雙網絡水凝膠和多級結構水凝膠，顯著提升了水凝膠的機械性能。

據統計，經過約二十年的研發，高性能水凝膠的斷裂能量和疲勞閾值已達到新的高度。例如，某些高性能水凝膠的斷裂能量可達到傳統水凝膠的數倍甚至數十倍，這使得其在人工軟骨等應用中具有極高的潛力。同時，研究人員還在探索利用生物系統的策略，開發自愈合和各向異性的水凝膠，以適應復雜的使用環境。

二、新型水凝膠粘合劑的突破

水凝膠粘合劑在傷口敷料、生物醫學植入物和柔性電子產品等眾多領域中發揮著至關重要的作用。然而，對于自粘水凝膠來說，調和粗糙表面適應性和內在強度的沖突要求一直是一個難以實現的挑戰。

為了攻克這一難題，國科溫州研究院與四川大學、河南理工大學的研究團隊提出了一種全新的策略。他們基于牛血清白蛋白（BSA）與合成聚合物（PAAm）的兩個網絡，成功制備出一種柔軟且具有自粘性的油水凝膠（OHG）。這種天然白蛋白基油水凝膠（BSA/PAAm DN OHGs）通過一鍋法合成，能夠立即粘附到各種基質材料的表面，實現無縫貼合，并且具有可逆粘附性能，方便進行容錯貼合操作。

在確認貼合位置正確后，只需一個簡短的加熱步驟，就能誘導 BSA 分子展開、聚集，形成剛性的 BSA 網絡，使凝膠轉變為強韌而超強韌黏附的狀態。經實驗測試，這種水凝膠在加熱后的附著力可從初始的較低水平顯著提高到特定數值，比如從幾百焦耳每平方米提高到 2800J/m²。

三、卓越的性能與廣泛的應用

天然白蛋白基油水凝膠在包括金屬（鋁、銅、鈦、鋼等）和聚合物（尼龍、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、3M Tape 等）等多種材料上都展現出了超高的黏附效果。尤為值得注意的是，在沒有任何表面修飾的情況下，它在非多孔基材上表現出極高的界面粘附。

在粘合劑的實際應用中，貼錯是一個常見的問題。傳統的可逆粘合劑雖然具有可重新定位的優勢，但粘合強度有限；而強力膠等液體粘合劑雖然附著力強，但固化速度快，難以糾正錯誤黏附。而 BSA/PAAm DN OHG 則引入了一種新型的粘合劑解決方案，將容錯性與可調的附著力完美協同起來。它可以可逆地附著在玻璃基板上，并在不留下殘留物的情況下分離，允許多次重新附著，且在多次嘗試中界面韌性保持不變。經多次實驗驗證，在 5 次應用嘗試中，其界面韌性保持在約為 550J/m²。在達到所需定位后，通過加熱，附著力可以顯著提高。

四、水凝膠在生物醫學領域還有哪些應用？

藥物輸送：

控制釋放：水凝膠可以作為藥物載體，根據環境刺激（如溫度、pH 值、酶等）實現藥物的控制釋放。例如，在腫瘤治療中，可以設計對腫瘤微環境敏感的水凝膠，在腫瘤部位精準釋放藥物，提高治療效果并減少副作用。

局部給藥：用于眼部、皮膚等部位的局部給藥。水凝膠可以與藥物結合形成貼片或凝膠劑，延長藥物在作用部位的停留時間，提高藥物的生物利用度。例如，用于治療干眼癥的水凝膠滴眼液，可以持續釋放藥物，緩解眼部干澀癥狀。

組織工程：

支架材料：水凝膠具有與生物組織相似的結構和性能，可作為組織工程支架材料，為細胞生長提供三維支撐環境。例如，用于骨組織工程的水凝膠支架可以搭載成骨細胞，促進骨再生；用于軟骨組織工程的水凝膠支架可以模擬軟骨的力學性能和生物功能，促進軟骨修復。

細胞封裝：將細胞封裝在水凝膠中，保護細胞免受外界環境的影響，同時允許營養物質和代謝產物的交換。例如，胰島細胞封裝在水凝膠中用于治療糖尿病，避免了免疫排斥反應。

傷口敷料：

保濕促進愈合：水凝膠敷料能夠保持傷口濕潤，為傷口愈合創造良好的環境。它可以吸收傷口滲出液，防止傷口干燥和結痂，促進肉芽組織生長和上皮細胞再生。

抗菌作用：一些水凝膠敷料含有抗菌成分，可以預防傷口感染。例如，含有銀離子的水凝膠敷料具有良好的抗菌性能，可減少傷口感染的風險。

透氣性能好：水凝膠敷料具有良好的透氣性，允許氧氣和水蒸氣的交換，避免傷口缺氧和浸漬。

未來展望

這種創新的水凝膠材料將水凝膠粘附的容錯性和按需固定性集成到單一材料中，充分凸顯了天然蛋白基凝膠作為先進功能材料的巨大潛力。它有望在手工修復、全季節柔性傳感器等各種應用中發揮重要作用，為相關領域帶來新的發展機遇。相信在未來，隨著科研人員的不斷努力，水凝膠材料將不斷突破創新，為我們的生活和科技發展創造更多的驚喜。

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