一種快速、高效粘合水凝膠的新技術有可能極大地推動新型生物材料的開發，滿足各種尚未滿足的臨床需求。水凝膠因其適應力強而在各種生物醫學領域日益盛行。這些生物材料由遇水膨脹的分子網路組成，可以根據需要客製，以復制不同器官和組織的機械和化學特性。這使它們能夠與人體的內外表面交互作用，甚至不會傷害人體解剖結構中最脆弱的部位。
這幅插圖重點展示了兩種水凝膠（藍色顯示）如何透過殼聚糖薄膜（橙色顯示）以不同方式結合在一起。形成的粘結異常牢固，可以抵抗高張力。資料來源：Peter Allen、Ryan Allen 和 James C. Weaver。
在臨床實踐中，水凝膠已被用於抗病原體的治療性給藥，眼科中的眼內鏡、隱形眼鏡和角膜義肢，組織工程和再生中的骨水泥、傷口敷料、凝血繃帶和三維支架。
然而，水凝膠聚合物之間的快速強力粘附仍是一項尚未解決的需求，因為傳統方法往往會在粘附時間超過預期後導致粘附力減弱，而且依賴於復雜的程式。實作聚合物的快速粘合可以帶來許多新的套用，例如，可以對水凝膠的硬度進行微調，使其更好地貼合特定組織；按需封裝用於醫療診斷的柔性電子器件；或為身體難以包紮的部位制作自黏性組織包裹。
現在，哈佛大學維斯生物啟發工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）和哈佛大學約翰-保爾森工程與套用科學學院（John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的科學家們利用殼聚糖薄膜創造出了一種簡單而多用途的方法，可以立即有效地粘合由相同或不同型別的水凝膠和其他聚合物材料制成的層。他們成功地將新方法套用於幾個尚未解決的醫學問題，包括組織的局部保護性冷卻、血管損傷的密封，以及防止本不應相互粘連的身體內部表面發生不必要的"手術粘連"。研究結果發表在【美國國家科學院院刊】上。
"殼聚糖薄膜具有在體內和體外有效組裝、微調和保護水凝膠的能力，為創造再生醫學和外科護理裝置提供了許多新機會，"該研究的資深作者、Wyss 研究所創始核心成員 David Mooney 博士說，"殼聚糖薄膜的套用速度快、簡便、有效，使其成為用途廣泛的工具和元件，可在手術過程中通常很短的時間內完成體內組裝過程，並可在制造設施中簡單地制造復雜的生物材料結構。"穆尼還是 SEAS 的勞勃-平卡斯家族生物工程學教授。
工程學的新紐帶
過去幾年來，穆尼在威斯研究所和SEAS的團隊開發出了"強韌粘合劑"，這是一系列再生醫學方法，使用可拉伸水凝膠，透過強力粘附在濕組織表面並符合組織的機械特性，促進傷口愈合和組織再生。"精確配制的韌性粘合劑和非黏性水凝膠為我們和其他研究人員提供了改善病人護理的新機會。但是，為了將它們的功能更進一步甚至更多步，我們希望能夠將兩種或更多水凝膠組合成更復雜的組合體，並以簡單的過程快速、安全地實作這一目標，"共同第一作者、前 Wyss 研究助理 Benjamin Freedman 博士說，他與穆尼一起帶頭開發了幾種強韌粘合劑。現有的即時粘合水凝膠或彈性體的方法有明顯的缺點，因為它們依賴於有毒膠水、表面化學功能化或其他復雜的程式。
透過生物材料篩選方法，研究小組確定了完全由殼聚糖制成的橋接薄膜。殼聚糖是一種含糖聚合物，可以很容易地從貝類的甲殼素外殼中提取出來，目前已被廣泛套用於商業領域。例如，它目前被用於處理種子和農業生物殺蟲劑、防止釀酒過程中的腐敗、自愈合塗料以及醫療傷口管理。
研究小組發現，殼聚糖薄膜透過與傳統水凝膠粘合方法不同的化學和物理交互作用，實作了水凝膠快速而牢固的粘合。殼聚糖的糖鏈不是透過單個原子之間的電子共享（共價鍵）來產生新的化學鍵，而是透過靜電作用和氫鍵（非共價鍵）迅速吸收水凝膠層之間的水分，並與水凝膠的聚合物支架纏結在一起，形成多個鍵。這使得水凝膠之間的粘合力大大超過傳統的水凝膠粘合方法。
首次套用
為了證明他們的新方法具有廣泛的潛力，研究人員把重點放在了非常不同的醫療挑戰上。他們的研究表明，用殼聚糖薄膜改性的韌性粘合劑現在可以很容易地纏繞在受傷手指等圓柱形物體上，作為自粘繃帶提供更好的傷口護理。由於殼聚糖鍵合水凝膠的含水量高，因此套用這種水凝膠還可以局部冷卻下層人體皮膚，這在未來可能會成為燒傷治療的替代療法。
研究人員還將表面經過殼聚糖薄膜修飾的水凝膠（堅韌的凝膠）無縫地包裹在腸道、肌腱和周圍神經組織上，而不與組織本身粘合。"這種方法為在手術過程中有效隔離組織提供了可能，否則會形成'纖維粘連'，有時會造成破壞性後果。"Freedman 解釋說："預防纖維粘連是一項尚未滿足的臨床需求，而商業技術還無法充分滿足這一需求。"
在另一項套用中，他們在一種堅韌的凝膠上鋪設了一層薄薄的殼聚糖薄膜，這種凝膠已經作為傷口密封劑置於受傷的豬主動脈上，以增加繃帶的整體強度，因為繃帶暴露在血管中血液搏動的周期性機械力之下。
"戴夫-穆尼研究小組的這項研究為生物醫學水凝膠裝置的工程設計增添了一個新的維度，它可以為再生醫學和外科醫學中尚未解決的緊迫問題提供優雅的解決方案，讓許多病人從中受益，"Wyss 創始董事、醫學博士唐納-英格伯（Donald Ingber）說，他同時也是哈佛醫學院和波士頓兒童醫院血管生物學朱達-福克曼（Judah Folkman）教授和 SEAS 生物啟發工程漢斯約格-威斯（Hansjörg Wyss）教授。
編譯自/scitechdaily
