西南交通大学鲁雄教授团队Nature Communications：植物启发动态儿茶酚化学引发的超强粘附水凝胶

【前言】

粘附水凝胶在生物医学应用中已经取得实际应用，主要由于其粘附到组织或其他生物材料表面的能力。然而，大多数粘附水凝胶不具有长期和可重复的粘附。此外，传统的粘附水凝胶通常表现出差的机械性能，并不具备抗菌能力。因此研制一种具有超强力学性能、抗菌性能、良好生物相容性兼具的粘附水凝胶仍面临严峻的挑战。

【成果简介】

针对以上问题，西南交通大学鲁雄教授课题组受植物粘附的启发，基于Ag-木质素纳米粒子（NPs）触发动态氧化还原儿茶酚化学，开发了坚韧、抗菌的粘附水凝胶。 Ag-木质素 NPs构建动态儿茶酚氧化还原体系，得到持久的还原-氧化环境的水凝胶网络。该氧化还原系统连续产生儿茶酚基团，赋予水凝胶长期和可重复的粘附能力。此外，Ag-木质素NPs产生自由基并触发水凝胶的自凝胶化，因此水凝胶能够在室温环境下固化。该水凝胶网络中存在共价和非共价相互作用具有高韧性。由于儿茶酚基团和Ag-木质素NPs的杀菌能力，水凝胶还具有良好的细胞亲和力和高抗菌活性。该研究概括了从贻贝到植物的儿茶酚粘附理论，并提出了基于动态植物儿茶酚化学设计坚韧和粘性水凝胶的策略。该研究成果以“Plant-Inspired Adhesive and Tough Hydrogel Based on Ag-Lignin Nanoparticles Triggered Dynamic Redox Catechol Chemistry”为题在线发表于《Nature communications》。论文第一作者为在读博士研究生甘东林和硕士邢文思。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金等项目支持。

图1植物设计策略为基于儿茶酚化学的粘附，强韧和抗菌NPs-P-PAA水凝胶。

（a）通过Ag-木质素NPs和APS之间的氧化还原反应产生自由基，引发水凝胶在周围环境下的凝胶化。

（b）醌基-儿茶酚基团可逆反应维持动态平衡。

（c）植物启发的粘附和坚韧水凝胶的分子结构方案。

（d）醌基自由基基团检测的ESR谱。

（e）TEM显微照片显示Ag-木质素NPs的核-壳结构；插图是Ag元素分布。

（f）HRTEM显微照片显示Ag-Lignin NPs的结构；插图是Ag的高分辨率图像。

（g）SEM显微照片显示水凝胶中的微纤维结构；插图呈现典型的微纤维。

图2水凝胶的机械性能。

（a）将0.03-NPs-P-PAA水凝胶伸长至其初始长度的26倍并在2分钟内回复。

（b）0.03 NPs-P-PAA水凝胶的拉伸加载-卸载曲线。

（c）压缩0.03 NPs-P-PAA水凝胶并在2分钟内回复。

（d）0.03 NPs-P-PAA水凝胶的压缩加载-卸载曲线。

（e）水凝胶的典型拉伸应力-应变曲线。

（f）不同水凝胶的拉伸强度和伸长率的乘积。

（g）不同水凝胶的断裂能。

图3 NPs-P-PAA水凝胶的粘附能力。

（a）水凝胶可粘附到各种材料表面和组织上。

（b）水凝胶反复粘附在作者的皮肤上，剥离后，未发现残留，对皮肤无刺激。

（c）不同水凝胶与猪皮的粘合强度。

（d）0.03 NPs-P-PAA水凝胶在猪皮上重复30次的粘附循环。

（e）NPs-P-PAA水凝胶的粘附机制。

图4水凝胶的抗菌性

（a）表皮葡萄球菌、大肠杆菌分别与水凝胶共培养1天后的溶液照片。

（b）水凝胶对表皮葡萄球菌、大肠杆菌的杀菌率。

（c）体内抗菌实验方案。

（d）将水凝胶植入皮肤下层中7天后的照片。

（e）H＆E染色水凝胶周围的结缔组织切片。

图5用于修复全层皮肤缺损的生物相容性NPs-P-PAA水凝胶。

（a）各种水凝胶上成纤维细胞的CLSM显微照片。

（b）成纤维细胞在水凝胶表面增殖的MMT结果。

（c）水凝胶植入大鼠缺损皮肤的方案。

（d）伤后不同时期的伤口闭合百分比。

（e）不同水凝胶处理的伤口照片。

（f）14天后伤口切片的H＆E染色。

【小结】

本研究提出了一种基于儿茶酚化学的水凝胶，该水凝胶具有高粘附性，韧性和细胞亲和力。Ag-木质素NPs可以产生自由基引发单体聚合，并可维持水凝胶内部网络中的醌基-儿茶酚基团的氧化还原平衡。与常用的粘附水凝胶相比，该水凝胶具有以下优点：首先，水凝胶的凝胶化是由富含自由基的Ag-木质素NPs引发的，无需UV照射或热引发。水凝胶是生物相容的并且对皮肤组织无害。其次，水凝胶具有持久、可重复的粘附性。第三，植物启发的Ag-木质素NPs水凝胶表现出良好的细胞亲和力和组织粘附性。最后，水凝胶具有抗感染能力，特别适用于皮肤伤口修复。简而言之，这种易于制备且环保的植物灵感启发的水凝胶说明了基于动态氧化还原儿茶酚化学的多功能性粘附水凝胶的开发策略的可行性和潜力。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09351-2

本文由西南交通大学鲁雄教授课题组供稿，材料人编辑部Alisa编辑。

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