生物医用水凝胶的湿粘附性能是其长效服役于生理环境的关键。在生理环境中，水分子在组织表面形成水化层，这阻碍了水凝胶中粘附分子和组织之间的界面接触。此外，水分子会破坏水凝胶和组织之间的粘附力。近年来，基于贻贝粘附蛋白疏水端基和儿茶酚基团协同的水下粘附机理被广泛关注。然而，儿茶酚衍生物和疏水基团种类繁多,水凝胶体内服役环境复杂，导致仿贻贝湿粘附水凝胶研发成本高、周期长，而且大量研究数据呈现碎片化特征，缺乏系统性和可比较性。因此，仿贻贝湿粘附水凝胶复杂的分子-结构-性能关系给其设计带来了巨大的挑战，严重制约了生物医用水凝胶的研发进程。
材料基因组计划提出了将高通量实验、理论计算和数据库技术融合的策略，通过大数据技术优化筛选材料的组成和结构以得到更好的目标性能，可加快材料从设计、构建到应用的研发速度、降低研发成本。近日，西南交通大学医学院鲁雄教授、谢超鸣研究员和成都大学张红平研究员基于材料基因组方法，借鉴贻贝水下粘附机理，利用高通量实验和理论计算，一次性构建了多种不同长度烷基链的疏水单体和儿茶酚衍生物组合的仿贻贝水凝胶，并对其湿粘附力进行了优化和筛选。结果表明，仿贻贝水凝胶的湿粘附力在很大程度上取决于疏水烷基链的长度：在水凝胶网络中，较短长度的疏水烷基链具有较强的湿粘附强度，其通过有效地“排除”界面水分子，使得儿茶酚基团与基底接触；而较长的疏水烷基链在水凝胶网络通过强疏水相互作用形成“缠节”导致水凝胶网络的刚性增加，界面“排水”能力减弱，降低了对外力的耗散能力，最终使得湿粘附强度降低。除了揭示儿茶酚与烷基链对仿贻贝水凝胶湿粘附力的影响，他们发现该水凝胶还具有超强止血和免疫调节的生物学效应，并结合高通量生物学评价，探讨了儿茶酚和烷基链影响水凝胶生物学效应的机制。儿茶酚与烷基链激活 αvβ3和α5β1 整合素，通过Rac和ROCK/MLC/myosin II通路协同促进细胞粘附和铺展。更重要的是，随着网络中儿茶酚的加入，水凝胶表现出良好的免疫调节能力，可以抑制炎症，并减轻排异反应。此外，在将多巴胺修饰的导电碳纳米管（pCNT）引入网络后，水凝胶作为湿粘附电极被集成到可穿戴设备上，可用于在游泳期间连续监测人体心电图，以及对活体猪心脏进行原位电刺激及监测。综上，该工作表明利用高通量制备与表征，结合理论计算，通过调控水凝胶关键分子和结构优化和筛选其物理化学及生物学性能，可变革传统水凝胶的研发理念和模式，加速生物医用水凝胶的研发。相关研究以 “Tuning Water-Resistant Networks in Mussel-Inspired Hydrogels for Robust Wet Tissue and Bioelectronic Adhesion”为题发表在《ACS Nano》。西南交通大学医学院鲁雄教授、谢超鸣研究员和成都大学张红平研究员为共同通讯作者。西南交通大学博士研究生侯跃为论文的第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、四川省重点研发计划等项目支持。利用高通量实验构建了不同烷基链长度的疏水单体和儿茶酚衍生物组合的仿贻贝粘附水凝胶，并依据其湿粘附力进行了筛选。PDA-PAM-C2水凝胶表现出最好的湿粘附能力，可以粘附水中的物品，并且牢固粘附在生物湿组织表面。疏水链的长度对湿粘附性能起决定性作用，较短的疏水链有助于破坏水层，而较长的疏水导致疏水缠结，反而减弱了“排水”能力。
图1. 基于不同长度疏水单体和儿茶酚衍生物组合对仿贻贝湿粘附水凝胶进行高通量筛选。(a) 不同水凝胶的成分：主网络（丙烯酰胺（AM）和丙烯酸（AA））、儿茶酚衍生物（多巴胺（DA）、没食子酸（GA）和表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG））和疏水单体（丙烯酸甲酯 (C1)、丙烯酸乙酯 (C2)、丙烯酸丁酯 (C4)、丙烯酸己酯 (C6) 和丙烯酸十二烷基酯 (C12)）。 (b) 自制高通量筛选系统示意图。 (c) 不同水凝胶对湿玻璃表面的湿粘附强度。（Control：不添加疏水单体）(d) 将湿粘附水凝胶集成到遥控车上，以快速从水中拾取轻物体。 (e) 湿粘附水凝胶用于从水中粘附和拾取重物。 (f) 湿粘附水凝胶在水冲洗下稳定地粘附在猪胃上。(g-i) 不同组合的仿贻贝水凝胶的湿粘附机制示意图。通过对水凝胶的机械性能测试发现，水凝胶的模量随着疏水单体链长的增加而增加。这说明链长较长的疏水单体由于疏水相互作用，发生了内部缠结，从而影响水凝胶的模量。值得注意的是，PDA-PAM-C2水凝胶的湿粘附性能不受pH和离子浓度影响，且具有长期粘附和重复粘附能力，并具有接近正常血压的爆破压力。结果表明了该水凝胶湿粘附性能稳定，有望用于伤口敷料和止血。
图2. 水凝胶的机械性能。(a)拉伸应力-应变曲线，(b) 拉伸强度，(c) 拉伸应变，和 (d) 不同水凝胶的弹性模量。PDA-PAM-C2 水凝胶在具有 (e) 不同离子浓度和 (f) pH 值的液体环境中对玻璃的湿粘附强度。(g) PDA-PAM-C2 水凝胶对猪皮肤的重复湿粘附强度。(h) 爆破压力测试示意图。(i) PDA-PAM 和 PDA-PAM-C2 水凝胶的爆破压力。通过理论计算进一步研究了不同疏水链长度的水凝胶对湿粘附过程的影响和作用机制。根据分子动力学模拟的进程可以发现，PDA-PAM-C2 水凝胶在界面排斥水，从而加强了水凝胶与玻璃表面之间的相互作用。还计算了不同聚合物的内聚能密度 (CED)以及水凝胶和玻璃表面之间的界面粘附能 (IAE)。CED随着链长的增加而增加，表明水凝胶的分子间相互作用可以通过疏水链长度进行调节。PDA-PAM-C2的IAE值最高，随着疏水链长度的进一步增加，IAE值降低，进一步验证了高通量筛选的结果。
图3. PDA-PAM-C2 水凝胶在具有水层的玻璃表面上的湿粘附过程的分子动力学 (MD) 模拟。(a) 初始状态 (0 ps)。(b) 中间状态 (5 ps)。(c) 最终状态 (1200 ps)。(d) 湿玻璃表面不同水凝胶的 CED 和 IAE 计算值。PDA-PAM-C2 水凝胶具有儿茶酚基团和疏水性官能团，表现出细胞亲和性并促进细胞粘附。通过高通量转录组测序发现GO富集分析中上调的基因有许多与细胞粘附相关。KEGG通路富集分析显示， “肌动蛋白细胞骨架调节（regulation of actin cytoskeleton）”、“粘着斑（focal adhesion）”和“粘附连接（adherens junction）”通路显着上调，这都表明 PDA 和 C2 促进了 L929 细胞的粘附。细胞粘附相关基因表达的差异显示整合素相关基因被 PDA-PAM 和 PDA-PAM-C2 水凝胶上调，这表明 PDA 诱导 α5β1 整合素的显着表达。对于 PDA-PAM-C2，αvβ3 整合素比其他组上调更多，表明 PDA 和 C2 对细胞粘附具有协同作用。另一方面，大多数粘着斑蛋白相关基因在 PDA-PAM 和 PDA- PAM-C2 水凝胶显著上调，与这些水凝胶上增加的细胞粘附相匹配。对基因表达差异的进一步分析表明，PDA有利于 F-肌动蛋白相关通路基因上调，从而增强粘附。首先，PDA-PAM 和 PDA-PAM-C2 水凝胶上调粘着斑激酶 (FAK) 相关基因，这有助于将细胞外机械输入转化为生化信号。其次，PDA PAM 和 PDA-PAM-C2 水凝胶上的丝状伪足（Rac）相关基因被上调，有助于在片状伪足中诱导 F-肌动蛋白网络。第三，PDA-PAM 和 PDA-PAM-C2 水凝胶上p130Cas/Crk/DOCK1通路相关基因被上调，有助于 Rac 激活。最后，PDA-PAM-C2 水凝胶组的 CDC42 显著上调，从而增加 Rac 相关基因的活性并激活肌动蛋白以诱导丝状伪足中的 F-肌动蛋白束。此外，PDA-PAM-C2 水凝胶的大部分整合素相关机械转导基因的表达高于 PDA-PAM 水凝胶，ROCK/MLC/肌球蛋白II通路相关基因上调，可磷酸化肌球蛋白轻链（MLC）磷酸化导致肌球蛋白与 F-肌动蛋白结合并随后形成肌动球蛋白应力纤维。总体而言，PDA-PAM-C2 水凝胶通过激活 αvβ3 和 α5β1 整合素启动了 Rac和 ROCK/MLC/肌球蛋白 II通路，从而诱导细胞粘附和铺展。
图 4. 湿粘附水凝胶的细胞粘附性。(a) 培养第 3 天不同水凝胶上细胞的 CLSM 图像。蓝色：细胞核，绿色：粘着斑。(b) 不同水凝胶上每个细胞的粘着斑面积。 (c) PDA-PAM-C2 与 PAM 水凝胶中所有基因的 GO 分析。 BP：生物过程，MF：分子功能，CC：细胞成分。 (d) PDA-PAM-C2 与 PAM 水凝胶的富集 KEGG 通路。 (e-g) 差异表达基因的热图分析。 (h) PDA-PAM-C2 水凝胶上细胞粘附机制的示意图。动物实验表明PDA-PAM-C2 水凝胶具有良好的止血效果，可有效对猪动脉和内脏进行快速止血。水凝胶的湿粘性确保它牢固地粘附在出血部位，并迅速从血液中吸收水分到亲水网络，促进血液凝固。PDA 的儿茶酚通过与血液蛋白上的亲核基团相互作用促进红细胞 (RBC)的聚集和粘附。且疏水烷基链有助于锚定 RBC。
图 5. 水凝胶的止血性能。(a) 猪的止血模型示意图。(b-d) PDA-PAM-C2 水凝胶对猪(b)动脉、(c)心脏和(d)肝脏止血性能的照片。白色箭头：血液，绿色箭头：水凝胶。(e) 在大鼠肝出血模型中使用不同水凝胶进行手术和止血的照片。 (f) 180 秒后每种水凝胶的出血量。(g) 不同水凝胶上红细胞的 SEM 图像。(h) 不同组的凝血指数。(i) PDA-PAM-C2 水凝胶的止血机制。水凝胶具有良好的生物相容性，长期植入时不会产生免疫排斥反应，且有助于伤口的快速高质量愈合。首先，水凝胶良好的湿粘附性促进植入后水凝胶与组织的稳定整合。第二，水凝胶快速触发止血，同时血小板释放的趋化因子和细胞因子募集和激活成纤维细胞和免疫细胞。第三，水凝胶良好的细胞亲和力促进细胞粘附。第四，水凝胶清除 ROS以及抑制T细胞活化，从而减轻炎症反应，避免过度纤维化。 最后，水凝胶通过抑制 M1 巨噬细胞极化状态和促进 M2 巨噬细胞极化状态来调节伤口免疫微环境。
图 6. 水凝胶的体内免疫调节和伤口修复能力。(a) 在 SD 大鼠皮下植入 14 天后，水凝胶周围组织中炎症和异物反应标志物的免疫荧光图像。蓝色：细胞核，红色：α-平滑肌肌动蛋白 (α-SMA) 和 T 细胞 (CD3)。(b) 第 1 天和 (c) 第14天免疫荧光图像的荧光强度。RAW 264.7细胞在不同水凝胶上的 (d) M1相关标记物和 (e) M2相关标记物的表达水平。(f) 在不同时间不同组处理的伤口的照片。(g) 14天后每组切片的苏木精和伊红染色。绿色箭头代表伤口部位新形成的毛囊和胶原蛋白。(h) 新表皮组织厚度的量化。(i) 水凝胶伤口愈合机制示意图。为实现生物电子设备在湿润环境（游泳，体液，血液）下的应用，将导电pCNT的引入到PDA-PAM-C2 水凝胶中赋予了其良好的导电性，可以作为柔性湿粘附水凝胶电极，与生物电子设备整合。结果表明水凝胶的粘附在水下和体液环境中均没有失效，使电子设备和目标组织表面达成了稳固的连接，确保了信号的稳定传输。
图 7. 湿润条件下的生物电子应用。(a) 具有不同聚多巴胺功能化碳纳米管 (pCNT) 含量的 PDA-PAM-C2 水凝胶的电导率。(b) 湿粘附水凝胶集成生物电子设备的示意图。(c) 在游泳期间使用湿粘附水凝胶集成生物电子设备检测心电图 (ECG) 信号的照片。(d) 在游泳前和游泳期间，用湿粘附水凝胶集成生物电子设备记录的心电图信号。(e-f) 水凝胶体内表面和心外膜 ECG 信号检测示意图。(g) 水凝胶记录的心电图信号。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11053
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