贻贝和牡蛎启发的湿态组织粘附水凝胶构筑及性能研究

作     者：梁子毅 

作者单位：福建师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘海清

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：粘附水凝胶 强韧湿态组织粘附 贻贝粘附蛋白 牡蛎粘附 

摘      要：水凝胶是一种以水为分散介质的具有三维网络结构的聚合物材料,它具有柔顺性好、吸水保水的特点,与生物组织、细胞外基质有相似的结构;其广泛应用于生物传感器、可穿戴设备、软体机器人、组织修复和生物支架等领域。但由于传统水凝胶的力学性能不佳,其对生物组织,尤其在湿润条件下的粘附能力较弱,在使用的过程中容易脱落,导致无法发挥上述特定的功能,限制了粘附水凝胶应用的推广。近年来,科研工作者们在强韧粘附水凝胶方面取得了突破,研发出基于静电相互作用、氢键、纳米复合以及儿茶酚化学等设计的强韧粘附水凝胶。本文基于海洋生物湿态粘附的机理,利用天然提取产物成功研发具有湿态组织粘附能力的水凝胶。以下为本研究的具体内容:1.受贻贝粘附蛋白启发以及纳米材料对水凝胶增强的机制,提出设计策略:先将长烷基链儿茶酚、丙烯酸和甲基丙烯酸羟乙酯预聚,再与甲壳素纳米晶须/壳聚糖溶液进行混合,通过自由基聚合获得PAHU-CS-CNF水凝胶。该水凝胶是纳米晶须复合的聚合物电解质,其中存在多种可逆相互作用,能在水凝胶被拉伸和收缩时能起到很好的能量耗散,提升其力学性能;另一方面,水凝胶表面的多种基团能与组织表面形成物理键和化学键的作用;儿茶酚基团与-NH的协同作用、烷基链的疏水作用,可有效排除界面水,可实现水凝胶与基底在湿态和水下的强韧粘附。2.受牡蛎分泌产生的生物矿化的有机/无机复合粘胶蛋白的启发,提出设计策略:将正硅酸乙酯（TEOS）溶解于AA/QCS水溶液中,通过自由基聚合制成PAA/QCS-TEOS水凝胶。再通过热水解获得性质稳定的SiNP-r-PAA/QCS水凝胶。SiNP与PAA/QCS基质之间存在大量的物理/化学键,促成该水凝胶具有优良的断裂强度和韧性。此外,水凝胶自身能快速破坏水合层,并且能与组织表面形成氢键作用和静电相互作用,从而实现对湿润组织快速且牢固的粘附。基于上述的设计策略,系统地探究了水凝胶的力学性能和粘附性能,探究其结构与力学性能、粘附性能的关系、内聚力与粘附性能的关系以及揭示了水凝胶和组织的粘附机理。以下为本研究的主要结论:1.对PAHU-CS-CNF水凝胶进行力学性能测试与红外结构表征,证明水凝胶中存在多种可逆相互作用,如拓扑纠缠、静电相互作用、疏水缔合、π-π堆积、阳离子-π和氢键相互作用。这些物理键在水凝胶被拉伸和收缩时能起到能量耗散的作用,使其具有优良的力学性能,断裂强度可达～276.4k Pa,杨氏模量达～65.7 k Pa。此外,水凝胶表面的多种基团能与组织表面形成物理键和化学键的作用;如静电作用、氢键作用、阳离子-π作用与迈克尔加成反应等;特别地,水凝胶中儿茶酚基团与-NH的协同作用、烷基链的疏水作用,能够有效破坏界面之间的水合层,使其具有优秀的粘附能力,对湿态猪皮的粘附界面韧性可达～831 J/m,在水下对猪皮的粘附界面韧性达～236 J/m,猪皮伤口闭合强度最佳达～26.2 k Pa。因此,该粘附水凝胶适合作为无需缝合的伤口闭合粘胶材料。***-r-PAA/QCS水凝胶的设计新颖性在于采用原位热水解的方式形成纳米颗粒。PAA/QCS-TEOS水凝胶在热水解过程中会形成水合二氧化硅,它在QCS的季铵化基团（-NR）的静电吸引下聚集,-NR即形成SiNP的成核位点。随后这些SiNP与PAA/QCS网络产生可逆的物理相互作用,如SiNP与PAA形成的动态氢键、SiNP与QCS的-NR形成静电相互作用;SiNP的硅烷醇基能与PAA和QCS的羟基发生反应形成共价键。因此,SiNP-r-PAA/QCS水凝胶具有优良的断裂强度和韧性,分别为～215.1 k Pa和～2.77 MJ/m。在粘附方面,-NR基团能驱赶基底表面的水合阳离子,从而快速破坏水合层。水凝胶表面有大量的-COOH与一定量的SiNP,能与组织表面的-COOH和-OH能形成氢键作用;水凝胶表面的SiNP带负电,-COOH也部分电离成-COO,二者皆可与组织表面的-NH形成静电相互作用,从而实现牢固的粘附。研究表明,SiNP-r-PAA/QCS水凝胶能快速吸收界面水破坏水合层,使界面分子快速接触,从而实现即时快速地粘附。其对湿态猪皮的界面粘附韧性和伤口粘附强度分别达到～752 J/m和～31.5k Pa,它拥有将近2倍的正常动脉血压的爆破压力（311.2 k Pa,高于正常动脉血压140 k Pa）。因此,SiNP-r-PAA/QCS水凝胶凝胶适合作为无损伤的伤口闭合以及组织修复材料。综上两章研究结论表明,水凝胶本体的内聚力,水凝胶对水合层破坏的能力、以及水凝胶与组织的界面相互作用是影响其湿态粘附性能的关键因素。以PAHU-CS-CNF水凝胶为例,其在组织上的界面粘附韧性达到～831J/m,这与水凝胶中的聚电解质结构、疏水长链的儿茶酚以及甲壳素纳米晶须的拓扑纠缠有关,使其具有高的