仿生醫(yī)用組織粘合劑的開發(fā)研究進(jìn)展

       自然界中許多天然粘合劑和自然現(xiàn)象為開發(fā)粘合劑/粘合材料提供了參考。以此為基礎(chǔ)的仿生粘合材料通過模擬天然粘合劑的粘合機(jī)制，并使用具有生物相容性的材料進(jìn)行制備，使其擁有了良好的生物相容性和高粘附性，克服了現(xiàn)有組織粘接劑的局限性，包括不可降解性、細(xì)胞毒 性、與濕表面不兼容、無法適應(yīng)組織的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)等。這些仿生粘合材料不僅可以用作傷口敷料，還可以用作促進(jìn)傷口愈合的醫(yī)用膠水，替代現(xiàn)有的組織縫合線或組織粘合劑。如海洋貽貝通過粘性蛋白錨定在各種物體表面，使其能夠承受海浪的巨大剪切力而不隨波逐流；蛞蝓在遇到天敵時(shí)會(huì)分泌粘液將自己粘附在巖石土壤表面，以躲避天敵的捕殺；壁虎擁有粘性腳趾墊可以逆重力爬行等等。

       1、貽貝

       貽貝是一種廣泛分布于沿海地區(qū)的海洋生物，通過足絲腺分泌的貽貝足蛋白（Mussel foot proteins Mfp）穩(wěn)固黏附于海水中的各種固體基材表面。目前，科學(xué)家已鑒定出六種貽貝足蛋白（Mfp1-Mfp6），其中均富含不同比例的3，4-二羥基苯丙氨酸(多巴，DOPA)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，DOPA含量越高，Mfp的粘性越強(qiáng)，DOPA粘附性能的關(guān)鍵因素是其含有鄰苯二羥基（兒茶酚, atechol）官能團(tuán)。該官能不僅容易與蛋白質(zhì)形成氫鍵結(jié)合，而且有很強(qiáng)的金屬配位螯合能力。當(dāng)在堿性、有氧或酶條件下，DOPA的酚羥基能被氧化成醌或半醌。被氧化的兒茶酚基團(tuán)不僅能與蛋白質(zhì)上的氨基和巰基通過Michael加成和Schiff堿反應(yīng)，而且能分子內(nèi)環(huán)化形成脫氫吲哚結(jié)構(gòu)，以及發(fā)生自身歧化反應(yīng)形成自由基，通過偶聯(lián)反應(yīng)與基材交聯(lián)。此外，鄰苯二酚還通過參與其他理化作用，如氫鍵、金屬配位、π-π或π-陽離子相互作用、疏水相互作用，增強(qiáng)與基材的粘附力和內(nèi)聚力。

       大量研究者已經(jīng)從分子角度模擬，形成一系列的仿貽貝醫(yī)用黏合劑。有學(xué)者用鄰苯二酚改性的ε-聚-1-賴氨酸和氧化葡聚糖作為主鏈，并通過席夫堿和兒茶酚-Fe3+配位原位交聯(lián)，形成水凝膠生物黏合劑。獨(dú)特的雙動(dòng)力鍵交聯(lián)結(jié)構(gòu)賦予了生物黏合劑更高的機(jī)械強(qiáng)度和黏合強(qiáng)度，同時(shí)保持了快速解離和良好的自愈能力。受貽貝粘合機(jī)制的啟發(fā)，有學(xué)者將含有兒茶酚和醛基的原兒茶醛(protocatechualdehyde, PA)和Fe3+引入到由海藻酸鈉和明膠組成的粘合劑中，海藻酸與明膠的氨基和羧基作用賦予粘合劑內(nèi)聚力，并由引入的PA和Fe3+進(jìn)一步增強(qiáng)，加速了對基材的吸收和粘合。使得該水凝膠具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和粘性，在體內(nèi)皮膚切口實(shí)驗(yàn)中能有效封閉創(chuàng)口并促愈合。此外，科學(xué)家們還制備出了人造黑色素樣生物聚合物聚多巴胺 (Polydopamine，PDA)。PDA上的活性兒茶酚基團(tuán)和伯胺基團(tuán)出色的粘附性能，可黏附于幾乎所有類型的基材表面。兒茶酚基團(tuán)還可以通過不同的化學(xué)反應(yīng)與氨基端或硫醇端試劑形成共價(jià)鍵，有利于小分子、生物分子和聚合物連接到PDA表面。同時(shí)PDA具有生物相容性好、有光熱效應(yīng)、抗菌、可載藥、等優(yōu)點(diǎn)。

       2、藤壺

       藤壺與貽貝都通過分泌黏附蛋白使其自身黏附于基底上，藤壺分泌的黏附蛋白分為初生膠與次生膠，初生膠是藤壺個(gè)體在正常生長發(fā)育過程中所分泌的膠粘物質(zhì)，而次生膠則是因外力作用導(dǎo)致藤壺底盤脫離附著基而再次分泌的物質(zhì)。藤壺分泌的兩種膠具有相同的肽段，但自我組裝程度以及固化交聯(lián)程度不同，并且在藤壺蛋白中未發(fā)現(xiàn)鄰苯二酚類的結(jié)構(gòu)，只擁有少量的二硫鍵，說明藤壺與貽貝的黏附機(jī)理有顯著性的差異。目前，藤壺膠的黏附機(jī)理尚未明確，有研究者認(rèn)為是藤壺膠固化有化學(xué)作用存在，但也有研究者認(rèn)為與蛋白質(zhì)的組裝結(jié)構(gòu)相關(guān)。藤壺黏蛋白 cp19k 位于界面處，被認(rèn)為是對不同表面（如船體、巖石和其他海洋生物的貝殼）黏附起關(guān)鍵作用的物質(zhì)。有學(xué)者利用原子力顯微鏡（AFM）成像和力光譜研究pH對藤壺黏蛋白cp19k的自組裝和黏附特性的影響，首次確認(rèn)由細(xì)菌重組的藤壺黏蛋白cp19k不包含3,4-二羥基苯丙氨酸（DOPA）或任何其他具有編譯后修飾的氨基酸，并且細(xì)菌重組藤壺黏蛋白 cp19k可以在酸性 pH下自組裝成聚集納米纖維。在中等酸性條件下，未組裝的黏蛋白cp19k在云母上的黏附強(qiáng)度僅略低于市售的貽貝黏附蛋白混合物，但黏蛋白cp19k在 pH升高時(shí)的黏附能力顯著降低。相反，在酸性和低鹽度條件下，黏蛋白 cp19k 預(yù)組裝的納米纖維相比在堿性和高鹽度海水中的納米纖維，能保持更高的穩(wěn)定性，并顯示出更強(qiáng)的附著力。此外，藤壺的其他黏蛋白在其黏附過程中也發(fā)揮著不可缺少的作用，如藤壺黏蛋白52 kDa有類淀粉的聚集自組裝單元出現(xiàn)。說明藤壺膠的交聯(lián)點(diǎn)不是共價(jià)鍵，是類淀粉的自組裝蛋白聚集體產(chǎn)生的不溶且堅(jiān)韌的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這種類淀粉的自組裝聚集增加膠的內(nèi)聚力，是膠固化的原因之一。

       3、章魚

       章魚可以通過其吸盤結(jié)構(gòu)在海洋中黏附在物體表面。其黏附作用與貽貝、藤壺等的黏附不同，不依靠發(fā)生化學(xué)作用黏附，僅依靠章魚吸盤的特殊結(jié)構(gòu)。章魚與物體接觸后，其吸盤內(nèi)的肌肉吸附在物體上，外部邊緣處形成封閉狀態(tài)，內(nèi)部空腔產(chǎn)生負(fù)壓，利用壓力差完成與物體的黏附。當(dāng)吸盤腔的內(nèi)外壓力相同時(shí)，橫向與縱向肌肉發(fā)生收縮導(dǎo)致圓形肌肉的收縮釋放，橫向肌肉的收縮使得吸盤內(nèi)腔體積變大，導(dǎo)致吸盤腔內(nèi)壓力降低，進(jìn)而發(fā)揮吸附黏合作用。因此，章魚的吸附力主要是通過橫向肌肉的收縮產(chǎn)生的壓力差發(fā)揮吸附作用。

       以章魚吸盤為靈感，有學(xué)者開發(fā)了一種個(gè)性化設(shè)計(jì)的吸盤模擬貼片，具有選擇粘合性和拉伸能力。這些貼片基于硅橡膠薄膜，其吸盤微觀結(jié)構(gòu)可粘附在正常皮膚上，具有生物相容性的明膠甲基丙烯酰基（GelMA）水凝膠接觸受傷區(qū)域。由于硅橡膠薄膜上的吸盤微觀結(jié)構(gòu)，這些貼片可以對干燥和潮濕的表面表現(xiàn)出很強(qiáng)的附著力。在GelMA水凝膠中添加血管內(nèi)皮 生長因子（VEGF），可進(jìn)一步加速愈合過程，并且可以根據(jù)傷口區(qū)域的幾何形狀定制GelMA水凝膠形態(tài)。將粘合和抗粘附的相反性能集成到單個(gè)貼片膜中，可以精確地覆蓋單個(gè)傷口區(qū)域，并且在大鼠皮膚缺損模型中能有效地促進(jìn)傷口愈合。利用章魚的吸盤吸附機(jī)理開發(fā)醫(yī)用黏合劑，可以避免因化學(xué)黏附產(chǎn)生的不利影響。但是，研究報(bào)道的章魚啟發(fā)粘接系統(tǒng)需要一個(gè)額外的負(fù)壓形成系統(tǒng)，以減少吸盤內(nèi)部的壓力，而且目前模仿章魚的吸盤結(jié)構(gòu)只能在平滑的表面上黏附，而大多數(shù)人體組織和傷口都有毫米/微米尺度的凸起、彎曲和角。

       4、蛞蝓

       蛞蝓，俗稱鼻涕蟲，是一種雌雄同體的軟體動(dòng)物。蛞蝓在受到威脅時(shí)背部體表會(huì)分泌大量粘液，將自己黏在巖石土壤表面，使天敵很難將它帶走，從而達(dá)到自衛(wèi)的目的。蛞蝓粘液通過長而相互纏結(jié)的帶負(fù)電荷的硫酸乙酰肝素樣多糖和帶正電荷的蛋白質(zhì)形成雙網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)，具有較高的韌性。受蛞蝓粘液的啟發(fā)，有學(xué)者制備了一種由表層和耗散基質(zhì)組成的雙層膠粘劑。膠粘劑表面通過靜電作用、共價(jià)鍵和物理滲透牢固粘附到組織上，可在體外研究可用于皮膚的粘合，是一種潛在的性能優(yōu)良的皮膚粘合劑。

       5、壁虎

       壁虎是蜥蜴的一種，壁虎能夠在墻壁上自由活動(dòng)，歸功于它們每只腳的腳墊上成陣列密集分布的大約50萬條被稱為剛毛的原纖維。每個(gè)剛毛都被分成數(shù)百個(gè)鏟狀納米結(jié)構(gòu)，長度約為200~500 nm的末端小突起，它們通過范德華和毛細(xì)管作用與各種形狀的表面相互作用。壁虎通過這種分層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)大的附著力，壁虎膠具有各向異性的黏附、高黏附系數(shù)、低剝離力、材料獨(dú)立的黏附、自清潔、抗自黏附和非黏性默認(rèn)狀態(tài)等特性。由壁虎黏合機(jī)制啟發(fā)制備的干醫(yī)用貼片代替現(xiàn)有的壓敏膠以及丙烯酸等濕式醫(yī)用貼片，有自清潔可反復(fù)黏附等性能?；诒诨じ降莫?dú)特性能，用于濕潤的組織環(huán)境的仿壁虎醫(yī)用黏合劑也被開發(fā)，其中包括一種以聚癸二酸甘油酯丙烯酸酯（PGSA）為基礎(chǔ)，具有彈性和生物降解特性的組織黏合劑。它是通過改變納米級支柱的尺寸，包括尖端直徑與節(jié)距的比值和尖端直徑與基底直徑的比值來優(yōu)化組織黏附。有關(guān)壁虎類膠粘劑的大多數(shù)研究都集中在具有高縱橫比（AR）的棒狀和線狀特征上。然而，只通過改變高縱橫比而改變表面結(jié)構(gòu)來模擬壁虎的附著較為困難，但在材料表面涂覆壓花膜可以改變表面的附著力。

       6、大鯢

       大鯢，俗稱娃娃魚，是一種是中國特有的珍貴兩棲動(dòng)物。其皮膚粘液腺在受到外部刺激時(shí)會(huì)分泌白色粘液，這些粘液能幫助大鯢擺脫危險(xiǎn)和促進(jìn)傷口愈合。大鯢粘液中含有155種多肽/蛋白，其中含有苯環(huán)的氨基酸占比超過11%（酪氨酸5.59%，苯丙氨酸5.08%，色氨酸0.94%）。高活性的酚羥基參與的氫鍵、π-π共軛賦予其組織粘性。此外，物理相互作用，包括疏水性/親水性，氫鍵和離子絡(luò)合也是其可以濕粘附的原因。將清洗分離后的大鯢粘液凍干粉SSAD(Andrias davidianus)作為組織粘合劑，可以較市售纖維蛋白膠和氰基丙烯酸酯膠更快更好地促進(jìn)大鼠背部皮膚切口愈合，并且可以作為敷料有效促進(jìn)糖尿病大鼠皮膚缺損的愈合。

       參考資料

       [1]車超越,袁坤山,張淑欣,張海軍.醫(yī)用仿生黏合劑的研究進(jìn)展[J].中國膠粘劑,2021,30(10):62-66.DOI:10.13416/j.ca.2021.10.013.

       [2]陳玉琴,王曉萍,張曦木.用于皮膚傷口愈合的仿生天然產(chǎn)物的醫(yī)用粘合劑研究進(jìn)展[J].中國醫(yī)療美容,2023,13(01):49-52.DOI:10.19593/j.issn.2095-0721.2023.01.012.

       [3]吳云,李健.水生生物啟發(fā)的醫(yī)用粘合劑的研究進(jìn)展[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2019,36(02):325-333.

       作者簡介：小泥沙，食品科技工作者，現(xiàn)就職于國內(nèi)某大型藥物研發(fā)公司，從事營養(yǎng)食品及功能性食品的開發(fā)與研究。