经典回顾：麻省理工学院赵选贺《Nature》首创人工双面胶，5s 实现强力粘结
研究背景
传统的粘结剂，如氰基丙烯酸酯（Super Glue）能够产生较高的粘结强度，当两个干燥的表面一接触就会通过分子间的作用力，如氢键，静电相互作用和范德瓦尔斯相互作用立即粘在一起。然而，当应用这些传统粘结剂粘结如生物组织等润湿表面时，因为粘结基质表面的水化层的存在，这种瞬间粘结是极其困难的。虽然组织粘结剂相比于生物缝合或生物补丁有显著优势，然而，目前的液体或水凝胶组织粘结剂具有以下缺陷: 粘结强度低，生物相容性差，与生物组织力学匹配性差与形成粘结时间长，极大地限制了其有效应用。近日，麻省理工学院（MIT）的赵选贺教授团队开发一种人工双面胶（DST），该DST通过“干燥交联机制”可以有效消除湿润组织表面的水分而形成强有力粘结，研究成果发表于 Nature 杂志，题为Dry Double-Sided Tape for Adhesion of Wet Tissues and Devices。
图片来源：Nature 575, 169–174 (2019)
现有的组织粘结剂以液态或湿态水凝胶形式存在，它们主要通过分子（如单体、大分子或聚合物）扩散“穿越”界面水化层与组织基质的聚合物网络形成化学作用（图1a, b）。由于分子扩散慢且受环境影响大，所以与组织基质形成粘结的时间较长，这对于一些紧急情况下需要其发挥快速粘结作用，如快速止血，是极其不利的。相比之下，自然界中的一些生物，如贻贝、藤壶、蜘蛛网，在潮湿的环境中仍能够形成强有力的粘结作用，它们拥有有效消除粘结界面处的水分的独特机制，如蜘蛛在雨天仍能够捕捉昆虫。受这些自然现象启发，赵选贺团队提出了一种DC（Dry-Crosslinking）机制，制备了一种人工DST，通过消除界面水化层进而实现对润湿组织的牢固粘结（图1c, d）。该DST由两个主要部分组成：一部分是生物可降解的GelMa交联的PAAc-NHS，另一部分是生物可降解的生物大分子（如明胶或壳聚糖）。
图1. 传统生物胶水基于分子扩散的交联机理与人体双面胶基于极速干燥的交联机理
DST可以在去除衬垫后直接应用于湿组织表面，无需任何其它准备过程。DST与润湿表面接触后，通过快速溶胀和吸收界面水分使其干燥。同时，DST中的羧酸基团通过分子间键与组织表面形成暂时交联，随后DST中的NHS酯基与组织上的氨基基团共价交联。溶胀的DST粘结在组织上后，成为一层薄而坚韧的水凝胶，在表面之间形成牢固的粘结。研究表明，DST有良好的生物相容性和生物降解性，兼具高拉伸性（拉伸应变1700%）和优异的能量耗散能量（粘结韧性800 J/m2）。按压 5s，就能在生物组织间形成坚韧而又强力的粘结，显著优于已知的组织粘结剂。
图2. 人工双面胶优异的可成型性、拉伸性、生物相容性与生物可降解性
图3. DST的潜在应用. a. 应用粘结DST的水凝胶体内修补漏气的猪肾；b. 用粘结在猪胃上的水凝胶-DST片封堵体外漏液的猪胃；c. 打孔的DST粘结载药水凝胶后贴于打洞的猪心用于药物缓释研究；d. 模型药物荧光素释放示意图；e. 将DST应变传感器贴于猪心，用于柔性传感研究；f. 压变电阻随猪心脏跳动的变化
研究意义
该DST粘结剂的有点：
能够在湿润组织表面形成强力粘结；
只需要5 s即可以形成强粘结；
能够对大量生物组织提供稳定的持久密封；
操作简单、可以重复使用。
该研究制备的DST提出了新型干燥交联机理，具有粘结快、粘结强度高，生物相容性好，持久稳定、操作简单等优点具有巨大的临床应用潜力。综合性能远远优于已知的商业化产品。作为一种固态胶，不需要额外的搅拌、加热、涂抹等操作，可直接应用于器官和植入设备上，快捷方便。同时，作为一种生物材料平台，可以组合与匹配多种其它原件，实现许多具有巨大潜力的应用。
圈内点评
法国高等物理化工学院主任、生物界面粘结专家Costantino Creton评价DST：
“Combining two innovative concepts, the research team succeeded in adhering quickly and effectively to the wet and soft surface of a tissue, and in maintaining good adhesion and mechanical properties for several days without causing too much inflammatory response.”
哈佛组织工程学和生物3D打印专家Shrike Zhang教授：“This is an excellent innovation by Professor Zhao's team, which essentially lies in a very simple yet extremely effective concept of double-sided tissue adhesive. It fundamentally deviates from how bioadhesives are traditionally designed and implemented -- instead of starting wet, this double-sided tape begins dry and thin. Intriguingly, such fundamental deviation lands beautifully on a fundamental improvement as well -- as soon as the tape is applied at the target wound site, the wetting process that simultaneously removes water molecules from the tissue surface induces almost instantaneous strong physical bonding, which overtime, transitions into stable chemicalbonding through the built-in reactive groups as the swelling of the tape continues to develop into a piece of biocompatible, biodegradable, water-rich hydrogel. 该工作由 MIT 华人团队主导完成，通讯作者为赵选贺博士，毕业于哈佛大学机械工程系，研究方向集中在固体力学、活性材料、软材料、生物材料、生物电子学和 3D 打印等交叉领域。
团队介绍
除了本工作研发的组织双面胶，赵选贺教授团队近年还首次揭示抗疲劳水凝胶的设计原理，首次提出 3D 打印铁磁软材料和软机器，首创可拉伸水凝胶电子等亮眼成果，发表于 Advanced Materials、Nature、PNAS 等高水平期刊。
首次提出水凝胶超韧粘结 （tough adhesion）的机理并实现与各种材料的超韧粘结 Nature Materials, 15, 190 (2016).
首次提出坚韧水凝胶高弹体聚合物（tough hydrogel-elastomer hybrid）并实现不干水凝胶 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 2016, 7, 12028.
首次提出3D打印铁磁软材料和软机器 Nature, 2018, 558, 274.
首次提出3D打印超韧超弹水凝胶的方法并打印各种载细胞的超韧超弹水凝胶结构 Advance Materials, 2015, 27, 4035.
首创超高拉伸水凝胶光纤 Advanced Materials, 2106, 28, 1024.