具有高水含量和生物相容性的水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有多種應(yīng)用,例如癌癥,糖尿病,和心血管疾病。將粘合性能納入水凝膠可以顯著擴(kuò)展應(yīng)用。盡管所有先前的工作都清楚地表明了粘合水凝膠的巨大潛力,但粘合主要是基于水凝膠與基材之間的直接化學(xué)反應(yīng),并且會散發(fā)大量能量。還開發(fā)了基于物理相互作用的粘合劑水凝膠,例如涉及貽貝啟發(fā)的鄰苯二酚官能團(tuán)的粘合劑。但是,鄰苯二酚基團(tuán)很容易被空氣中的氧氣氧化為醌基團(tuán),這可能會限制它們的長期和可重復(fù)的粘合性能。

日前,康奈爾大學(xué)Minglin Ma團(tuán)隊(duì)報告了一種新型的具有高氫鍵密度的粘性水凝膠,該凝膠利用了“三重氫鍵簇”(THBC)的負(fù)載分擔(dān)效應(yīng)。當(dāng)作為側(cè)基結(jié)合到水凝膠基質(zhì)中時,即使沒有任何化學(xué)反應(yīng),THBC也會導(dǎo)致水凝膠對包括玻璃和薄紙在內(nèi)的一系列表面產(chǎn)生強(qiáng)力粘附?;谶@種水凝膠,進(jìn)一步開發(fā)了兩種創(chuàng)新的,繃帶狀的治療性醫(yī)療器械,分別用于治療肝癌和1型糖尿病。。相關(guān)工作以“An Adhesive Hydrogel with“Load‐Sharing” Effect as Tissue Bandages for Drug and Cell Delivery”為題發(fā)表在《Adv. Mater》上。

沒有化學(xué)反應(yīng)也能粘合!《AM》:具有“分擔(dān)負(fù)荷”作用的粘性水凝膠,可作為組織繃帶用于藥物和細(xì)胞的輸送。

THBC粘合水凝膠的合成

研究人員將THMA與APMA進(jìn)行了共聚,可促進(jìn)交聯(lián)和鹽置換。THBC粘合劑水凝膠可粘附在各種表面上,例如玻璃,塑料,聚四氟乙烯(PTFE),不銹鋼,木材和橡膠。此外,含80%THMA的p(APMA- co‐THMA)水凝膠對小鼠肝臟也具有高度粘附性。

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粘合水凝膠示意圖

由于離子性質(zhì)而引起的STTP交聯(lián)在生理?xiàng)l件下(例如,在鹽水中)缺乏必要的穩(wěn)定性,這使其在長期體內(nèi)應(yīng)用中具有挑戰(zhàn)性。因此,研究人使用氧化葡聚糖(Dex-CHO)來化學(xué)交聯(lián)相同的p(APMA-co- THMA)共聚物,以增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

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Dex-CHO交聯(lián)形成可生物降解的粘合劑水凝膠的示意圖

THBC粘合水凝膠應(yīng)用

為了利用組織粘附特性并證明水凝膠的治療潛力,研究人員設(shè)計了具有器官特異性,持續(xù)藥物釋放的內(nèi)部繃帶,并在首次應(yīng)用肝癌時選擇了其作為模型,發(fā)現(xiàn)p(APMA- co -THMA)/Dex-CHO粘合水凝膠繃帶可以使藥物直接釋放到肝臟,減輕快速清除率,并改善腫瘤吸收。

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藥物釋放繃帶

為了評估粘性水凝膠繃帶是否可以抑制腫瘤生長并提高生存率,研究人員進(jìn)行了長期實(shí)驗(yàn),治療患有原位Luc-HepG2肝腫瘤的SCID小鼠。發(fā)現(xiàn)使用水凝膠繃帶將順鉑以持續(xù)方式直接遞送至腫瘤部位可以帶來更高的治療效果,而副作用更少。

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水凝膠繃帶遞送順鉑

為了證明內(nèi)部水凝膠繃帶的多功能性,研究人員探索了用于1型糖尿?。═1D)治療的胰島素產(chǎn)生細(xì)胞的遞送。開發(fā)了一種“細(xì)胞繃帶”,其中使用p(APMA- co- THMA)粘合水凝膠將包裹胰島的藻酸鹽水凝膠薄板粘合到腹膜腔內(nèi)的體壁上。使用這種雙層水凝膠繃帶,將大鼠胰島遞送到化學(xué)誘導(dǎo)的糖尿病C57BL / 6小鼠中。在藻酸鹽層中可見具有高活力的胰島。移植后不久,所有糖尿病小鼠的血糖(BG)水平均降至正常血糖范圍。

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胰島繃帶

總結(jié)

研究人員開發(fā)的水凝膠粘附機(jī)理歸因于氫鍵的高密度和THBC的獨(dú)特ELS構(gòu)型。在水凝膠中,氫鍵可能會在界面和主體中形成,從而在兩個地方都耗散能量。與存在相同密度的鍵但均勻分布在界面上的情況相比,粘合劑層的ELS效果導(dǎo)致更強(qiáng)的粘合力。研究人員利用了體內(nèi)對組織的穩(wěn)定粘附力,并設(shè)計了內(nèi)部繃帶用于抗腫瘤藥物遞送或1型糖尿病細(xì)胞替代治療。雖然需要更多的工作來將粘合劑水凝膠轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用,但這項(xiàng)研究提供了其在開發(fā)用于藥物和細(xì)胞遞送的內(nèi)部繃帶方面的潛在用途的概念證明。

 

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202001628

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