黏合剂在医疗应用中可作为外科密封剂、止血剂和伤口愈合的第一阶段的辅助剂。贻贝的粘附机制基于氨基酸3，4-二羟基- l-苯丙氨酸（L-DOPA），通过探索以儿茶酚为基础的化学物质，为开发广泛的先进粘附生物材料提供了非凡的灵感来源。但这些材料偶尔会出现细胞毒性和抗微生物活性。自由结合儿茶酚基团导致它们在生理pH条件下会自动氧化，产生活性氧物种（ROS），引发细胞毒性。缓解儿茶酚基材料细胞毒性效应的策略包括通过金属离子配位阻碍氧化，或添加外源分子或材料限制形成的活性物种的作用。尽管其中一些策略已被证明有助于改善儿茶酚基黏附剂的细胞相容性，但对这些构件在经过这些处理后能否保持黏附潜力和抗微生物效果的探索尚未完全展开。
本文使用单宁酸（TA）和甲基丙烯酸聚戊二醛（PUL-MA）制备了黏附凝胶。TA|PUL-MA凝胶主要由范德华力和疏水相互作用组成。PUL主链中的甲基丙烯酸基团增加了黏合剂矩阵中的相互作用数量，从而使黏附强度比非甲基丙烯酸凝胶有所提高。在模拟生理溶液中，黏合剂的黏附性能可保持72小时。TA|PUL-MA的光聚合可实现黏合剂的按需脱黏。通过简单地将鞣酸与聚戊糖甲基丙烯酸酯混合，可以避免使用酚基时的细胞相容性问题。这种添加不会影响材料的粘附特性、抗微生物或止血特性。这种经济高效且操作简单的方法，加上可在潮湿环境中调节粘附性的特性、高细胞相容性和抗菌活性，使TA|PUL-MA成为有前途的生物医学应用的现成生物黏合剂。
图1.TA|PUL-MA黏合剂的特性。
在泊松-玻尔兹曼表面积（MM-PBSA）计算预测的最稳定的模拟轨迹中，OH基团大多朝外（即指向未显示的溶剂）或参与分子内的OH-OH键（即分子内氢键），TA分子中更为明显。在含有TA的系统中，还可以观察到许多芳香环的平行排列，通过π-π堆积以提高分子的稳定性。在TA|PUL-MA系统中最稳定的框架中，也可以看到PUL-MA的甲基丙烯酸基团与TA的芳香环的堆叠。在这里，PUL-MA的羰基氧原子朝外定向，而乙烯基的碳碳双键通过π-π堆叠平行地排列在TA的两个相邻芳香环上。在TA:PUL(-MA)：水系统中，PUL或PUL-MA片段包围TA分子，形成一种类似于保护盾的结构，减少更亲水的TA物种与水溶剂的相互作用。通过SEM观察到，粘附结构表现出一定的孔隙度，这是含TA材料的特征，因为该分子不仅作为粘附部分，而且具有PU-TA链的非共价交联剂，从而形成了更致密、更小的孔隙结构。与TA|PUL-MA 6%或非甲基化的对应物相比，TA|PUL-MA 13%的甲基丙烯酸基团数量较多，导致黏合剂组分之间的范德华相互作用数量增加。
图2.TA|PUL-MA的附着、分离和可恢复性特性。
天然衍生的TA|PUL-MA 13%黏合剂有适应不同运动的能力，包括拉伸和扭转变形。这种行为与氰基丙烯酸酯的机械响应形成鲜明对比，氰基丙烯酸酯接触水后会变成坚硬、不可弯曲的固体，无法支撑组织的动态运动。通过冷冻干燥和低温研磨脱水获得两种粉末，用红色和黄色颜料溶液对TA|PUL-MA 13%的两种粉末部分进行染色，使其恢复原有的性能。恢复的材料的两部分完全融合成均匀的黏合剂，仅需5分钟。获得的粉末可以存放超过4周，并在需要时随时用水复原以获得黏合剂。在这里，光聚合导致材料的粘附能力（1.5±0.5 kPa）丧失，使TA|PUL-MA 13%黏合剂能够通过从猪皮上快速剥离、很容易地去除。 光聚合后，黏合剂材料的重量减少了10±0.9%。 这是由于材料基质中形成了更复杂的网络，导致紫外线照射后水分的释放。在共聚物浓相中生成的共价键（具有高聚合物密度）导致TA被PUL-MA基质所捕获，从而导致粘附性的丧失。
图3. TA|PUL-MA黏合剂的粘附性能。
与TA|PUL和TA|PUL-MA 6%相比，TA|PUL-MA 13%在拉伸测试中表现出最佳性能，其拉伸强度为44.6±7.6 kPa，对应的粘附能为72.7±16.2 Jm-2。虽然添加酶导致拉伸强度和粘附能均降低，但TA|PUL-MA 13%仍显示出比商业纤维蛋白黏合剂更高的粘附强度。CATA酶的加入导致TA|PUL-MA 13%的剪切粘附力显著降低，但TA|PUL-MA 13%黏合剂的剪切强度仍然优于纤维蛋白胶的性能。TA|PUL-MA 13%可以在存在血液的情况下粘附到皮肤的两面，并在37℃的液体介质中完全浸没，显示其能够承受与人体相似的条件。为了测试TA|PUL-MA 13%在更动态环境下的水下粘附性，在猪肠中注入流水，并切开3mm。将TA|PUL-MA 13%黏合剂直接涂抹在切口的PDMS表面，在按压几秒钟内即可有效密封漏水。
图4.TA|PUL-MA黏合剂与和无CATA酶的细胞毒性评估。
通过对与L929成纤维细胞系接触24小时的可浸出内容物和可能降解产物的细胞毒性研究，评估了TA|PUL-MA黏合剂的细胞相容性。添加了CATA的TA|PUL-MA黏合剂的提取物含量并未对细胞产生有害影响，在所有胶粘剂配方中都保持活性，与对照样品相比无显著差异。由于该酶具有降解释放到培养基中的活性氧的内在能力，因此该酶在胶水中的存在产生了更高的细胞活力。在生理植入条件下，由生物材料降解产生的浸出物必须从体内应用部位去除。因此，在第3天，从TA|PUL-MA黏合剂中提取的培养基被新鲜培养基取代，目的是复制在人体条件下可能发生的情况。试验期延长至第7天。尽管与对照样品相比，添加酶的样品中的细胞活力存在显著差异，但剩余存活细胞的代谢水平与第1天相似。这一结果与细胞在没有酶的培养基中的反应相反。
图5.TA|PUL-MA黏合剂对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的体外抗菌性能评估。
无论是否含有CATA酶，所有样品在两种菌株的中都有明显的抑菌圈。虽然CATA酶的存在降低了黏合剂的抗菌能力，但黏合剂仍然能够抑制细菌的增殖。
图6.体外血液相容性评估试验。
多酚通过其负电荷激活凝血因子XII而触发凝血级联，从而加速血液凝固。相比之下，6%和13%的PUL-MA保持了血液的红色，与对照样品相似，凝血能力较弱。即使添加了CATA酶，TA| PUL-MA 13%（6.1±2.2 min）和TA| PUL-MA 6%（5.1±2.9 min）粘接剂仍能维持止血能力，且显著高于对照组。与Triton-X样品相比，TA| PUL-MA 13%（CATA+）和TA| PUL-MA 6%（CATA+），其相应的溶血率低于生物材料规定的5%，因此它们具有医疗用途的血液相容性。
图7.将TA|PUL-MA 13%黏合剂与其他文献中报道的儿茶酚基黏合剂和商用黏合剂进行对比研究。
来源于天然分子的胶粘剂表现出较低的粘附强度，在所有分析性能之间表现出明显的平衡。在已经商业化的黏合剂中也可以看到同样的情况，其中纤维蛋白黏合剂有较弱的粘附能力，但具有细胞相容性和止血能力。相比之下，虽然氰基丙烯酸酯的粘附能力是众所周知的，但它们的毒性是限制它们局部应用的主要缺点。与市售纤维蛋白密封剂相比，这里介绍的黏合剂系统能够结合多功能特性，即良好的细胞相容性和天然抗菌活性，以及止血能力和改进的粘附强度。
本文通过一种完全超分子、简单且成本效益高的方法，从天然产物中生产出TA|PUL-MA黏合剂，只需将鞣酸与聚戊糖甲基丙烯酸酯混合即可。除了在猪皮中稳定胶束并进一步改善黏合性能的作用外，对聚戊糖甲基丙烯酸酯的探索还使该策略能够通过光交联触发轻松去除黏合剂，这使得该策略非常适用于敏感皮肤的应用。流变学研究表明该材料具有黏弹性（G'≈G”），并具有可注射性。TA|PUL-MA黏合剂显示出良好的细胞相容性，通过引入一种ROS降解酶CATA，这不会影响其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等菌株的优异抗菌活性。此外，黏合剂显示出有利的止血能力，且具有最短的凝血时间，以及相应的安全溶血百分比。体外黏附研究表明，在与生理条件相似的条件下（72.8 ± 10.9 Jm−2），TA|PUL-MA 13%配方显示出最佳的黏附性能（44.6 ± 7.6 kPa，72.7 ± 16.2 Jm−2），即使在72小时后也是如此。尽管引入CATA略微降低了黏附强度（30.8 ± 5.6 kPa）和黏附能量（41.7 ± 21.2 Jm−2），但与大多数商业上可获得的非氰基丙烯酸酯医疗黏合剂相比，TA|PUL-MA 13%显示出更高的黏附强度。
近期，该研究成果以“Natural Polymer-Polyphenol Bioadhesive Coacervate with Stable Wet Adhesion， Antibacterial Activity， and On-Demand Detachment”为题发表于学术期刊《Advanced Healthcare Materials》。论文第一作者为Margarida M. A. Sacramento，通讯作者为阿威罗大学的João F. Mano。
撰稿人：姜 莹
审稿人：李珂欣
论文全文链接
https://doi.org/10.1002/adhm.202304587
抗菌抗污材料前沿
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