大家好，今天我们来聊聊一项关于水凝胶的有趣研究——《Barnacle inspired strategy combined with solvent exchange for enhancing wet adhesion of hydrogels to promote seawater-immersed wound healing》发表于《Bioactive Materials》。在湿或水下环境中，水凝胶的粘附力往往受到挑战。但别担心，科学家们从藤壶那里获得了灵感，通过结合溶剂交换策略，成功制备出了一种强大的湿粘附水凝胶。这种水凝胶不仅能在各种界面上牢固粘附，甚至在水下也能发挥出色作用。它还有望用于伤口愈合、器官密封等领域，为我们的生活带来更多便利和保障。让我们一起来深入了解一下吧！

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一、引言

粘合剂水凝胶在伤口敷料、表面胶水、组织密封剂等领域有广泛应用，但在湿或水下环境中实现强粘附面临挑战。本研究受藤壶强湿粘附的结构特征启发，结合溶剂交换策略，制备了一种强湿粘附水凝胶（CP-Gel），以期用于海水浸入的伤口愈合等领域。

二、材料与方法

材料：壳聚糖（CTS）、2-苯氧基乙基丙烯酸酯（PEA）、二甲基亚砜（DMSO）、丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM）、N, N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、过硫酸铵（APS）等。

CP-Gel的制备：将CTS溶解于DMSO中，加入PEA、AA、AM、MBA和APS，在 50℃下聚合12 h形成有机凝胶（CP-Gel-O），然后将CP-Gel-O在水中进行溶剂交换3天，每8小时更换一次水，得到CP-Gel。

对照水凝胶的制备：在DMSO中于50℃下聚合12 h制备不同的有机凝胶，然后通过与水进行溶剂交换或直接在水中聚合制备对照水凝胶。

表征方法：对CP-Gel和对照组水凝胶进行外观观察、UV吸收光谱、红外光谱、拉伸强度测试、应力-应变曲线测试、流变频率扫描测试、接触角测试、溶胀率测试、粘附强度测试、细胞毒性测试、溶血实验、组织学染色等。

三、结果与讨论

3.1 合成与表征水凝胶

在DMSO中聚合的所有有机凝胶均为透明完整的凝胶，而在水中聚合的Gel-W、C-Gel-W、P-Gel-W和CP-Gel-W为不完全交联的浑浊溶液。

溶剂交换2天后，溶液的UV吸收不再显著，CP-Gel红外光谱中DMSO的特征峰消失，且聚合物间的吸收峰发生位移，表明建立了分子间氢键，形成了动态物理交联网络。

CP-Gel-O拉伸至3倍长度时断裂，而CP-Gel可拉伸至6倍长度，抗拉伸强度为161.67±8.99 kPa，在加载和卸载循环中表现出明显的滞后环和强大的能量耗散能力，储能模量（G′）始终高于损耗模量（G''），表明水凝胶具有良好的结构稳定性。

3.2 CTS和PEA对水合层的影响

水凝胶对湿猪皮的粘附强度和接触角与CTS含量呈正相关，当CTS含量高于4 wt%时难以形成水凝胶；PEA含量为3 wt% 时，水凝胶的粘附强度达到最大值。

使用亚甲基蓝溶液可视化猪皮表面的水合层，发现CP-Gel（含PEA）的水合层比周围区域薄，而C-Gel（不含PEA）的水合层仍较厚。

AP-Gel的粘附强度（29.12±4.96 kPa）显著低于CP-Gel（58.04±1.67 kPa），CE-Gel的粘附强度（5.03±2.33 kPa）更低。在水合层的影响下，CP-Gel的粘附强度降低程度（25.7±3.8%）显著小于其他对照组（超过40%）。

3.3 溶剂交换策略对溶胀的影响

Gel、C-Gel和CE-Gel（不含PEA）的溶胀率较高，而P-Gel、AP-Gel和CP-Gel（含PEA）在溶剂交换后表面有聚集的疏水相，网络结构更致密，溶胀率较低。

CP-Gel通过溶剂交换制备的CP-Gel比直接在水中聚合的CP-Gel-W溶胀率更低，接触角更高，水排斥性更好，粘附行为也更好。

溶剂交换使PEA在水凝胶表面聚集，抵抗水分子侵入，从而降低溶胀率DMSO能促进共价网络均匀性，使CP-Gel更好地抵抗溶胀。

3.4 CP-Gel的湿和水下粘附性能

CP-Gel在各种湿条件下对不同表面表现出良好的粘附性，能粘附并提起玻璃、塑料、橡胶、金属和猪组织，适应皮肤组织的运动，抵抗水冲洗，牢固粘附于皮肤组织和器官。

CP-Gel能承受的爆裂压力显著高于其他对照组水凝胶，对湿猪皮、盐水和海水浸泡的皮肤均具有良好的粘附性，对水、盐水和海水也表现出强大的粘附力。

CP-Gel可密封漏水的塑料袋，有效密封猪胃和心脏的泄漏。

CP-Gel对湿猪皮的粘附强度（58.04±1.67 kPa）优于其他基于席夫碱反应和儿茶酚的水凝胶，比市售生物粘合剂强5倍。

3.5 CP-Gel的按需分离和可控水凝胶粘合剂手

CP-Gel在低pH环境中相对稳定，在碱性环境中溶胀率显著增加，在Tris-HCl中溶胀率与时间呈正相关。

CP-Gel在碱性Tris-HCl中无粘附性，可通过滴加Tris-HCl缓冲溶液实现按需分离。

设计的可控水凝胶粘合剂手可在空气或水下环境中捕获物体，并通过Tris-HCl按需释放物体。

碱性环境中，水凝胶中丰富的羧基基团解离，结合更多水分子，破坏氢键和静电相互作用，导致溶胀率增加。Tris-HCl与水凝胶的带电基团相互作用，削弱了网络中的静电相互作用，从而影响其粘附行为。

3.6 CP-Gel的生物相容性

L929和3T3细胞在所有水凝胶提取物中的存活率均在90%以上，细胞培养在水凝胶浸出液中具有正常的形态。

水凝胶的溶血率极低，对大鼠的心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏无损伤。

这些结果表明CP-Gel具有良好的细胞相容性、血液相容性和器官相容性，可作为生物医学领域的安全材料。

3.7 海水浸泡模型中的伤口愈合

与对照组相比，CP-Gel显著促进了海水浸泡伤口的愈合，伤口愈合率更高，炎症反应更少，新生毛囊和肉芽组织更多，胶原蛋白沉积更多。

CP-Gel处理组中IL-6和TNF-α的表达较少，VEGF和CD31荧光的表达较多。

这些结果表明CP-Gel减少了炎症反应并促进了血管生成，具有用于海洋紧急护理和水接触伤口保护的前景。

四、结论

通过藤壶启发策略结合溶剂交换成功构建了具有强大湿粘附力和良好生物安全性的CP-Gel，该水凝胶为增强水凝胶的湿粘附力提供了一种新颖可行的方法，在海水浸入的伤口愈合、器官密封等领域具有显著的应用潜力。

参考文献：

Zhao G, et al. Barnacle inspired strategy combined with solvent exchange for enhancing wet adhesion of hydrogels to promote seawater-immersed wound healing. Bioact Mater. 2024 Jul 10;41:46-60.