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知识点1 — 聚（α-硫辛酸）
一种由α-硫辛酸（α-lipoic acid，αLA）聚合而成的化合物。α-硫辛酸是一种天然存在的抗氧化剂，在细胞能量代谢中起着重要作用，广泛应用于医学和保健领域。聚（α-硫辛酸）的结构具有多元羧酸和硫元素，使其在化学反应中表现出较好的稳定性和活性。该聚合形式使其具有更大的分子量和更好的溶解性，有助于提高其生物利用度，具有抗氧化、改善代谢和神经保护等作用。
知识点2 — Lap剪切强度测试
Lap剪切强度测试主要测量的是两个重叠粘结的材料在平行于粘结面方向上承受剪切力时的强度。基于材料力学中剪切力的概念，当两个材料通过粘结剂粘结在一起形成搭接接头（Lap joint）时，在平行于粘结面的方向施加外力，使粘结面产生相对位移，直到粘结处发生破坏。此时所施加的最大外力与粘结面积的比值即为Lap剪切强度。通过公式：
Lap剪切强度=最大外力/粘结面积，计算出Lap剪切强度值。
万能试验机是进行Lap剪切强度测试的核心设备，它具备精确的力加载系统和位移测量系统，能够按照设定的加载速率施加外力，并实时测量和记录试件在受力过程中的位移变化以及所承受的外力大小。夹具用于固定测试试件，确保在测试过程中试件的位置和受力方向符合测试要求。粘结过程需要严格控制粘结剂的用量、涂覆方式以及粘结条件（如温度、压力、时间等），以确保粘结质量的一致性和可靠性。该测试可以评估粘结剂的性能优劣、粘结工艺的有效性以及材料之间的粘结兼容性，较高的Lap剪切强度值通常表示粘结效果较好，材料之间能够承受更大的剪切力而不发生破坏。
知识点3 — NHS酯
N-羟基琥珀酰亚胺酯（N-hydroxysuccinimide ester，NHS酯）是一种常用的化学试剂，主要用于生物化学和生物技术领域。NHS酯是由NHS与一种活性酯（如琥珀酸酯）结合而成，能够与胺基反应，形成稳定的酰胺键。可应用于蛋白质标记，常用于将荧光染料、酶或其他标签连接到蛋白质或多肽上，便于后续的检测和分析；交联剂，用于交联不同分子（如蛋白质与抗体），形成更复杂的生物结构；药物递送系统，在药物研发中，用于连接药物分子与载体，以提高药物的靶向性和生物相容性。NHS酯与胺基反应具有较高的选择性，适合用于特定生物分子的修饰，形成的酰胺键相对稳定，适合长期实验和存储。但需要注意的是，NHS酯通常需要在适当的pH和温度条件下进行，以确保反应的有效性，同时在某些情况下，可能会发生副反应，因此需优化实验条件以减少干扰。
外科手术、工业生产和日常消费中常常需要使用粘合剂来实现材料的粘结。然而，现有的粘合剂存在诸多问题，例如在医疗领域，部分外科胶水存在生物相容性差、降解慢、强度不够或粘性不适用于内部手术等局限；在工业和消费领域，很多聚合物粘合剂不可回收，对环境造成污染，且性能难以满足多样化的使用需求。因此，开发新型多功能且环保的粘合剂成为解决这些问题的关键。
聚（α-硫辛酸）聚合物具有可回收和可持续的潜力，但其自发解聚的问题限制了实际应用。αLA是一种具有特殊化学结构的物质，它在合适的条件下可以聚合，但不稳定的聚合产物无法满足实际应用的要求。
理想的粘合剂应具备良好的生物相容性（用于医疗领域）、合适的粘性和强度（适用于不同领域）以及可回收性和环境友好性。在本研究中，美国加州大学伯克利分校生物工程及材料科学与工程Phillip B. Messersmith教授（通讯作者）团队通过对αLA单体进行化学修饰，成功稳定了αLA聚合物，并开发出一系列作为外科强力胶用于外科手术、作为压敏粘合剂用于消费产品以及作为结构粘合剂用于工业领域的产品。通过多种实验手段对这些粘合剂在不同应用场景下的性能进行了全面评估，包括在体外和体内的生物相容性测试、不同条件下的粘结强度测试等，为医疗、消费和工业领域的粘结需求提供了一种潜在的新型粘合剂解决方案。
（A）各单体的化学结构，包括α-硫辛酸（αLA），设计的两种N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）酯（S1和S2）以及NaLA和CaLA。（B）αLA溶液在乙醇中的初始状态，表明纯αLA在乙醇中不会聚合。在室温下24小时后的乙醇αLA溶液照片，倒立后的溶液状态显示纯αLA在乙醇中未发生聚合。（C）αLA和稳定剂S2的乙醇溶液在30分钟内自发共聚，说明了S2对αLA聚合的稳定作用。向新鲜的αLA和稳定剂S2的乙醇溶液中添加过量水溶液缓冲液会立即形成稳定的聚合物。下方为αLA在特定条件下的聚合和稳定聚合物链端的一般方案：αLA聚合以及通过与NHS酯反应实现链端稳定的过程。在不同溶剂和pH条件下，取代基（R）的形式不同，在乙醇中R为OH，在pH值高于羧酸的pKa（约4.5）的缓冲水溶液溶剂中R为O-。反应过程中，αLA在S1或S2存在下可能发生自催化的阳离子样聚合，链端的巯基与S1/S2的NHS酯反应形成硫酯键和末端环状二硫戊环基团，随后的级联分支聚合产生稳定性更高的聚合物。随后研究者通过添加不同比例的原料以及合成不同形式的材料分别制备了αLA-MSN（N = 1，2，3，4，5）、αLA-PSA和αLA-SA（表1）。
（A）通过αLA和S1的乙醇前体混合物的自发聚合，随后在过量水中沉淀而形成αLA-MS4，之后通过干燥并压塑成薄膜以用于机械分析。（B）αLA-MS4在不同应变率下的应力-应变曲线（N = 5）。结果表明聚合物可以拉伸超过其初始长度的10倍（1000%应变变形）而不会破裂。通过应力-应变曲线可以了解材料在不同拉伸程度下的应力响应情况。聚合物可以拉伸超过其初始长度的10倍（1000% 应变变形）而不会破裂，这表明该聚合物具有优异的拉伸延展性。（C）在应变率为 200 mm/min 的条件下，对aLA-MS4薄膜进行循环加载-变形测试。测量时应变逐步增加且循环之间无延迟。曲线上的标签表示六个循环中每个循环及对应的最大应变百分比。材料在多次循环加载过程中能够承受不断增加的应变。这表明材料具有一定的抗疲劳性能，即能够在多次反复加载下保持其结构完整性和力学性能。（D）αLA-MS4在应变率为200 mm/min时，原始和破裂后在60℃下，自愈合10分钟的聚合物的代表性应力-应变曲线。原始（未破裂）样品在相同愈合条件下进行处理用于比较。结果显示原始样品破裂时的平均应变为1644% ± 282%（N = 4），愈合样品为1568% ± 41%。虽然愈合后样品的平均应变略低于原始样品，但P值较大（P = 0.6），说明两者之间没有显著差异。这表明材料具有较好的自愈合能力，能够在一定程度上恢复其力学性能，在受损后经过适当处理可以继续保持较好的使用性能，这对于材料在一些长期使用或可能受到损伤的应用场景中是非常重要的特性。
（A）αLA-MS2、Dermabond Advance（商用）和CoSeal（商用）在湿牛心包膜上的lap剪切强度比较。结果显示aLA-MS2在2分钟时的lap剪切强度为101 ± 9 kPa，与Dermabond（134 ± 10 kPa）相当；24小时后，αLA-MS2的剪切强度增加到227 ± 32 kPa，超过了Dermabond（116 ± 35 kPa），并且在2分钟和24小时两个时间点都优于CoSeal（27 ± 10 kPa和47 ± 14 kPa）。在短时间内就具有良好的粘结性能，且随着时间推移粘结强度进一步提高，优于部分现有医疗级胶水。（B、C）αLA-MS3和αLA-MS4 + αLA-MS2组合在湿牛心包膜上的Lap剪切强度。从2 min到24 h，粘结强度逐渐增大。（D、E）用直径15 mm的贴片对穿孔的猪胃进行体外封闭。D图为一个加压猪胃，有一个未修复的5 mm穿孔（白色箭头），可以观察到染色的PBS泄漏（黑色箭头）。E图是使用贴片+喷雾（αLA-MS4 + αLA-MS2）修复后的加压猪胃，穿孔处没有观察到染色的PBS泄漏。证明了αLA超级胶水在实际复杂的组织修复场景（如猪胃穿孔）中能够有效阻止泄漏，体现了其在体外的密封效果和应用潜力。（F、G）αLA强力胶的体外表征。F图是对αLA-MS5进行体外降解实验，稳定化的αLA聚合物在3周内逐渐降解。G图研究了在αLA-MS2存在下，小鼠成纤维细胞（NIH 3T3）和人羊膜内皮细胞（AECs）24小时的存活率。实验结果表明，与对照组相比，在αLA-MS2存在下细胞存活率没有差异，说明αLA-MS2对这些细胞没有明显的细胞毒性，为其在体内的生物相容性提供了证据。
（A）模型示意图，包括放置αLA-MS5贴片，然后通过贴片和妊娠囊穿刺。此模型用于模拟胎儿手术中胎膜破裂的情况，以研究αLA超级胶水在体内修复胎膜的效果。（B）H&E染色的妊娠囊、胎盘和胎儿的组织学图像。上图显示的是妊娠第15天穿刺前的母胎解剖，而下图显示的是妊娠第18天αLA-MS5 + αLA-MS3预密封和穿刺的妊娠囊。贴片与肌层粘连良好，箭头表示穿刺部位。值得注意的是，在贴片上看不到穿刺部位，这表明在穿刺后贴片可以自愈。（C）对照组（未密封）和aLA-MS5 + aLA-MS2预密封妊娠囊穿刺后体内羊水漏出。结果显示预先密封的胎膜羊水泄漏量比未密封的妊娠囊低近50%，表明αLA超级胶水能够有效减少羊水泄漏，对维持妊娠环境具有重要作用。（D）单纯穿刺组和αLA-MS5 + αLA-MS3贴片预封组妊娠第18天胎儿存活率的比较（N = 5）。N为金黄色葡萄球菌感染伤口模型。结果显示在仅穿刺组中胎儿存活率为0%，而在预先密封且穿刺组中胎儿存活率为100%，突出了αLA超级胶水在保护胎儿、提高胎儿存活率方面的显著效果。
（A、B）αLA-PSA与未修饰的聚（α-硫辛酸）的压敏粘合性。在干燥和潮湿条件下，测量αLA-PSA相对于不锈钢（SS）基材的剥离强度（A）和静态剪切下的失效时间（B）。对于湿性条件，PSA和基底在接触之前完全浸没在水中。αLA-PSA在干燥条件下对SS的剥离强度为760 ± 127 N/m，显著高于传统由丙烯酸丁酯（BA）和丙烯酸（AA）制成的PSA聚合物（99 ± 19 N/m）。在潮湿条件下，αLA-PSA也表现出良好性能，显示其对湿度环境有较好适应性。（C-E）αLA-SA（含有αLA、CaLA和S2）在干燥和潮湿条件下的结构粘合性能。C用αLA-SA将铝棒粘结在一起，以形成具有1 cm2重叠的Lap剪切接头。D结构胶粘剂αLA-SA（含αLA、CaLA和S2）在干燥和潮湿条件下的Lap剪切粘结强度。在空气中组装和粘合湿样品，然后在测试前将其浸入水中24小时。αLA-SA在100℃下固化10分钟后，铝棒粘结的Lap剪切强度为10.5 ± 7 MPa，在水中浸泡24小时后强度仍保持为10.1 ± 1.9 MPa，与未增强的双酚A-基环氧树脂粘结铝基板的报道值相当或更高。这表明αLA-SA作为结构粘合剂具有较高的粘结强度，并且对水的耐受性良好。E通过重新组装破裂的表面并加热至100℃，10 min，可重新形成牢固的粘合。在多次循环后，未观察到强度衰减的迹象。说明αLA-SA具有良好的修复性能，其聚合物网络在加热修复过程中能够保持较好的结构和性能。（F）稳定化αLA-PSA和结构胶的闭环生命周期图。将原始αLA单体与稳定剂S1或S2（结构粘合剂也含有CaLA）组合热聚合以产生稳定化的αLA聚合物，然后将其加工成PSA或结构粘合剂产品。在使用后，两步水萃取再生αLA单体原料，然后其可以重新进入循环，体现了这种粘合剂的可持续性和可回收性。（G）1H NMR光谱对比显示，原生αLA与再生αLA在化学上是相同的。光谱中DMSO-d6的化学位移为2.5 ppm（百万分之一），水的化学位移为3.3 ppm。这证明了回收过程能够有效地回收αLA单体，并且回收的单体质量符合要求，可以重新用于粘合剂的生产。
这项研究成功开发了基于聚（α-硫辛酸）的可回收聚合物粘合剂，设计S1、S2等衍生物，与αLA配成含少量DMSO的乙醇溶液，遇水引发自催化阳离子样聚合及链端反应，形成稳定聚合物，调整单体组成可制备多种粘合剂用于外科手术、消费和工业领域，性能优异。外科手术方面，αLA超级胶水具备多种形式，包括可便捷喷雾使用的形式、能够精确刷涂操作的形式以及方便直接贴合的贴片形式。如αLA-MS2在湿牛心包上性能佳，可提高胎儿存活率。消费品方面，压敏粘合剂αLA-PSA在干、湿条件下均优于传统 PSA聚合物。工业领域，结构粘合剂αLA-SA粘结铝棒强度高且耐水。优异性能归因于αLA单体化学修饰及特殊配方设计，添加亲电试剂稳定聚合物、调整单体组成实现不同性能需求。此外，αLA聚合物可回收，回收率82%，回收单体纯度高，体现可持续发展优势。
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