粘附水凝胶由于能够与生物组织或装置表面发生相互作用，且具有良好的生物相容性，为各种生物医学应用提供了强大技术支持，俨然已成为生物材料领域一颗备受瞩目的“新星”，正在改变传统医疗模式。然而，不同应用场景下粘附水凝胶设计面临着诸多挑战，如何根据特定应用需求，对粘附水凝胶进行独特设计和功能优化是研究者需要解决的关键问题。
揭秘粘附性水凝胶：应用于生物医学领域前沿的多功能生物材料
粘附水凝胶作为一种具有优异粘附性能的三维高分子网络材料，通常由高水含量的聚合物组成，能够与目标表面形成牢固粘附。它们的结构和性能可以通过不同的设计策略进行调节，比如引入不同功能基团，使其具有与细胞外基质相似的结构特性、优异生物相容性、可控降解特性和可调力学性能，在伤口修复、组织工程、药物递送、医疗设备、柔性可穿戴等生物医学应用中展现出巨大潜力。近年来，随着各种新兴设计策略引入，粘附水凝胶的开发与应用取得了显著进展。
近日，西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所（BEBC）马玉菲团队通过综述最新研究进展，创新性地总结了基于化学键的组织粘附设计策略，探讨了上述多样化设计策略赋予水凝胶的多种功能特征，如可拉伸和坚韧性，微环境响应性，抗冻/抗热性，导电性，抗菌性和止血性能等，以及其在组织修复、药物递送、医疗设备和可穿戴传感器等生物医学应用中的最新进展（图1），最后总结了这一快速发展领域当前所面临的挑战并展望未来发展趋势。
图1 粘附水凝胶在生物医学领域的应用及相关性能示意图
基于化学键粘附的设计策略：强劲的粘附力来自何处？
粘附水凝胶通过调控与目标组织的化学交互方式实现稳健粘附，其设计策略包括三种主要机制（图2）：
·静态共价键：如碳-碳键和酰胺键，为水凝胶提供高强度和长期稳定性。
·动态共价键：如亚胺键和二硫键，赋予水凝胶自愈合和可控调节能力。
·非共价相互作用：包括氢键、疏水作用和静电相互作用等，支持柔和且灵活的粘附。
图2 基于各种化学键的组织粘附设计策略
粘附能力和力学性能的差异化：如何兼顾？
水凝胶粘附能力和力学性能在不同组织中具有差异化表现（图3），鉴于不同组织对水凝胶粘附能力和力学性能需求各不相同，设计具有可调力学性能的粘附性水凝胶是实现理想平衡的可行策略。
图3 粘附水凝胶在不同组织中粘附强度与力学性能（包括拉伸强度与剪切模量）的对应关系
多功能粘附水凝胶如何破局：可定制成为未来趋势
粘附水凝胶与不同类型组织界面相互作用，并面对不同组织的固有特性、周围环境以及生理或病理状态，这些因素对粘附性水凝胶的理性设计提出了不同要求。因此，多功能粘附水凝胶正变得更加可定制和多样化。本文讨论了粘附水凝胶中聚合物链选择、粘附来源、引入性能和潜在应用之间的可能对应关系（图4）。在不同应用场景中，粘附水凝胶的设计主要是根据其功能需求进行优化，通过调节水凝胶生物材料的力学性能、响应性、粘附性、降解性和导电性，赋予其不同功能并使其适应不同应用领域。此外，开发多功能集成粘附水凝胶将成为应对各种复杂病理情况的未来发展趋势。
图4 粘附水凝胶聚合物链、粘附来源、应用场景和性能之间的对应关系
西安交通大学生命科学与技术学院BEBC硕士研究生唐绍新为第一作者，西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所马玉菲副教授为通讯作者。西安交通大学生命科学与技术学院BEBC魏钊特聘研究员与西安交通大学第一附属医院呼吸与危重症医学科任徽副主任为该文章的共同作者。
文章不仅强调了粘附水凝胶的设计策略以及在各种生物医学场景下的应用，而且为未来粘附水凝胶生物材料开发所面临的挑战提供潜在解决方案，为今后深入研究具有个性化设计与新兴应用的多功能粘附水凝胶设计提出新思路。
论文信息：
Multifunctional Adhesive Hydrogels: From Design to Biomedical Applications
Shaoxin Tang, Keru Feng, Rui Yang, Yang Cheng, Meiyue Chen, Hui Zhang, Nianyuan Shi, Zhao Wei, Hui Ren, Yufei Ma*
Advanced Healthcare Materials
DOI: 10.1002/adhm.202403734
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Advanced
Healthcare
Materials
期刊简介
该刊于2012年从Advanced Materials中独立出来单独成刊。期刊发表有关提升人类健康的材料、器件、技术等最新研究成果，具有国际化的交叉学科影响力。
WILEY
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