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針對上述問題，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉珍珍教授開發(fā)了一種新型的具有粘附和抗粘附性能的不對稱janus水凝膠，通過控制水凝膠兩側(cè)自由羧基團的界面分布來實現(xiàn)內(nèi)部軟組織缺陷修復(fù)，同時解決術(shù)后粘連問題。該文章于2023年04月07日以《An Integrally Formed Janus Hydrogel for Robust Wet-Tissue Adhesive and Anti-Postoperative Adhesion》為題發(fā)表于《Advanced Materials》（DOI：10.1002/adma.202300394）。

（1）MAH水凝膠的設(shè)計與表征

圖1a展示了MAH Janus水凝膠生物粘合劑的制備流程圖，以及其在胃損傷修復(fù)中同時預(yù)防術(shù)后粘連的示意圖。光學(xué)顯微鏡圖像（圖1b）和3D輪廓圖像（圖1c）分別展示了MAH-600水凝膠的頂部和底部表面，揭示了在600轉(zhuǎn)/分鐘攪拌速度下形成的不對稱表面結(jié)構(gòu)，其中頂部表面觀察到較大的乳液滴，而底部表面則顯示出更密集的互連3D微結(jié)構(gòu)。相比之下，圖1d和1e中的MAH-3000水凝膠在3000轉(zhuǎn)/分鐘攪拌速度下制備，顯示出較為均勻且光滑的表面結(jié)構(gòu)，表明攪拌速度對水凝膠表面微觀結(jié)構(gòu)具有顯著影響。即通過調(diào)控攪拌速度來精確控制水凝膠兩側(cè)自由-COOH基團的分布，從而實現(xiàn)對濕潤組織的強大粘附和對其他正常組織的抗粘附性能。

圖2 MAH水凝膠不對稱機制的表征。（a）MAH-600表面和（b）截面形貌SEM。（c）MAH-600的C、N的元素映射圖。（d）MAH-3000的表面和（e）截面形貌SEM。（f）MAH-3000的C、N的元素映射圖。（g）MAH水凝膠在600和3000RPM時的不對稱結(jié)構(gòu)示意圖

（3）MAH水凝膠力學(xué)性能

圖3a顯示了不同攪拌速度下制備的MAH水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表明MAH-3000水凝膠具有最高的拉伸強度，而MAH-600水凝膠由于其不對稱結(jié)構(gòu)和較低的交聯(lián)密度，展現(xiàn)出相對較低的機械性能。圖3b探討了不同表面活性劑對MAH水凝膠機械性能的影響，發(fā)現(xiàn)以CTAB為表面活性劑時，水凝膠展現(xiàn)出最長的拉伸應(yīng)變。圖3c比較了MAH水凝膠與其他已報道的水凝膠生物粘合劑的機械韌性，證實了MAH-600水凝膠的優(yōu)越性。圖3d展示了MAH-600水凝膠的連續(xù)階梯拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，證明了其出色的自恢復(fù)能力。圖3e的循環(huán)拉伸測試進一步證實了MAH-600水凝膠的卓越韌性和耐久性。圖3f至3i通過直觀的實驗照片展示了MAH-600水凝膠的卓越機械性能，包括承受2kg重量、抵抗尖銳物體刺激、充氣至20倍體積以及被手術(shù)刀切割的能力。這些結(jié)果共同證明了MAH-600水凝膠在內(nèi)部生物粘合應(yīng)用中具有足夠的恢復(fù)力和耐受最大腹壓的能力，同時保持了良好的機械韌性和耐用性。

圖3 MAH水凝膠力學(xué)性能表征。（a）以CTAB為表面活性劑的MAH水凝膠在600~3000RPM不同攪拌速度下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b）600RPM下不同表面活性劑的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c）MAH水凝膠與生物粘合劑的機械韌性比較。（d）水凝膠的逐次拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（e）不同應(yīng)變下MAH水凝膠的循環(huán)拉伸試驗。（f）MAH-600水凝膠承重2公斤照片。對MAH-600水凝膠膜進行尖銳刺激（g）或泵氣（h）。（i）MAH-600水凝膠被手術(shù)刀切割的圖片

（4）MAH-600水凝膠的不對稱粘附特性

圖4 MAH-600水凝膠的不對稱粘附特性。（a）顯示上/下表面對濕豬皮粘附行為的照片。（b）MAH水凝膠剝離試驗。（c）不同壓制時間下MAH-600水凝膠對豬皮的界面韌性。不同攪拌速度下水凝膠結(jié)合豬皮的剝離力曲線（d1）和界面韌性（d2）。不同表面活性劑對600RPM下豬皮剝離力曲線（e1）和界面韌性（e2）的影響。MAH-600水凝膠粘附不同濕組織的剝離力曲線（f1）和（f2）界面韌性

圖4a展示了MAH-600水凝膠頂部和底部表面對濕豬皮的粘附行為，其中底部表面顯示出比頂部表面更強的粘附性。圖4b說明了180°剝離測試的示意圖，用于定量評估MAH水凝膠對豬皮的粘附強度。圖4c展示了不同按壓時間對MAH-600水凝膠與豬皮粘附強度的影響，隨著按壓時間的增加，粘附強度逐漸增強。圖4d和e分別展示了不同攪拌速度和不同表面活性劑對MAH水凝膠粘附性能的影響，其中MAH-600水凝膠在600 RPM攪拌速度和CTAB表面活性劑條件下，底部與頂部表面的粘附強度差異最為顯著。圖4f展示了MAH-600水凝膠底部表面對不同濕組織的粘附強度，包括胃、心臟和腸組織，顯示出良好的粘附性能。

圖5 MAH-600水凝膠的水下粘附性能。（a）MAH-600水凝膠粘附豬皮在水下可以承受1公斤的重量。（b）水槍沖洗MAH-600粘接豬皮的粘接界面。（c）MAH-600水凝膠破裂壓力測試。（d）不同按壓時間下MAH-600水凝膠與部分商用生物膠粘劑的破裂壓力比較

圖5a中MAH-600水凝膠粘附的豬皮能夠在水中承受1kg的重量，證明了其在水下具有出色的粘附強度。圖5b使用水槍沖洗MAH-600粘附的豬皮結(jié)合界面，結(jié)果顯示水凝膠的粘附界面能夠承受強烈的水流沖擊而不脫落，進一步證實了其在濕潤環(huán)境下的穩(wěn)定性。圖5c自制設(shè)備用于測試MAH-600水凝膠通過泵入模擬胃液（SGF）來承受動態(tài)壓力的能力，即爆破壓力測試。圖5d比較了不同按壓時間下MAH-600水凝膠的爆破壓力與一些商業(yè)生物粘合劑的性能，結(jié)果表明，即使在短時間的按壓（30秒）后，MAH-600的爆破壓力也達到了195 mmHg，超過了最大腹壓（150 mmHg），并且當(dāng)按壓時間超過20分鐘時，爆破壓力增加到362 mmHg。

圖6 MAH-600水凝膠的體內(nèi)外應(yīng)用。MAH-600水凝膠對漏氣豬肺葉（a）和漏液豬胃（b）的體外封閉。（c）MAH-600型水凝膠應(yīng)變傳感器在體內(nèi)監(jiān)測兔心臟跳動的照片。（d）MAH-600應(yīng)變傳感器檢測到的兔心臟跳動隨時間的歸一化電信號

圖6a展示了MAH-600水凝膠對豬肺葉損傷的密封效果，其中MAH-600成功阻止了空氣泄漏，證明了其在水下形成氣密密封的能力。圖6b展示了MAH-600水凝膠對充滿水的穿孔胃的密封效果，即使在持續(xù)水流輸入的情況下也能保持密封，顯示了其在流體密封方面的卓越性能。圖6c展示了MAH-600水凝膠作為應(yīng)變傳感器，直接粘附在活體兔子心臟的動態(tài)和彎曲表面上，用于實時監(jiān)測心跳，這表明了其在生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測設(shè)備中的潛在應(yīng)用。圖6d展示了通過MAH-600水凝膠傳感器監(jiān)測到的活體兔子心臟跳動的歸一化電信號，其中監(jiān)測到的心率約為每分鐘210次，處于正常理論范圍內(nèi)，進一步證實了MAH-600水凝膠對濕組織的強粘附能力。這些結(jié)果共同證明了MAH-600水凝膠在內(nèi)部傷口修復(fù)和生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測設(shè)備中的潛在應(yīng)用價值，展現(xiàn)了其在臨床應(yīng)用中的廣泛前景。

(5) 體內(nèi)胃損傷修復(fù)及術(shù)后抗黏連

圖7a展示了在新西蘭白兔模型中建立的胃損傷（直徑5mm）后，使用MAH-600水凝膠進行治療的效果，與手術(shù)縫合相比，MAH-600水凝膠能夠快速、簡單地實現(xiàn)完全貼合的密封。圖7b顯示了手術(shù)縫合組在術(shù)后第7天和第14天觀察到的明顯的網(wǎng)膜粘連和白色肉芽組織，這是由于胃液或血液從傷口泄漏引起的炎癥反應(yīng)。相比之下，MAH-600水凝膠治療的胃損傷在第14天幾乎完全愈合，表面光滑且無粘連，顯示出優(yōu)異的促進傷口愈合和抗術(shù)后粘連的性能。圖7c和7d分別展示了使用蘇木精-伊紅（H&E）和Masson染色評估MAH-600水凝膠和手術(shù)縫合組在術(shù)后第7天和第14天的修復(fù)效果，結(jié)果顯示MAH-600水凝膠治療的組織在早期展現(xiàn)出更好的膠原表達，表明更高的傷口愈合效率，并且在第14天，MAH-600水凝膠治療的傷口周圍的炎癥細胞數(shù)量顯著減少。這些結(jié)果共同證明了MAH-600水凝膠作為一種生物粘合劑，在內(nèi)部傷口修復(fù)中具有顯著的優(yōu)勢，包括簡便的一步法制備、出色的不對稱粘附性能、高機械韌性以及促進傷口愈合的能力。