东南大学章炜Chem. Soc. Rev.封面文章：仿生粘附水凝胶

来源：材料科学与工程公众号；作者：章炜

作为一类独特的高分子材料，水凝胶在从纳米到微米各种尺度上具有相互连接的多孔网络，展现出很多结构衍生特性，包括高表面积，可容纳各种填充物，固有的柔韧性，可控制的力学性能以及优异的生物相容性。但由于其聚合物网络中含有大量的水，形成界面层，阻止水凝胶与基材之间的表面接触，导致其表面能降低，水凝胶的粘合性严重减弱。此外，水分子通过氢键与水凝胶中的粘合剂基团相互作用，大幅减少了水凝胶与固体材料之间的界面反应。当将水凝胶应用于大多数潮湿表面（人体，组织和生物胶）生物医学工程中时，情况将更加复杂。

在潮湿条件下研发粘附水凝胶的技术挑战类似于海洋生物所需要解决的水下粘附问题，它们可以在动态和湍流的水下环境中实现牢固的界面粘附。3,4-二羟基-L-苯丙氨酸（DOPA）是一种存在于其黏附蛋白中的生物大分子，已被证实能够促进与基材在水中的粘附。因此作为启发，使用仿生原理开发新型粘性水凝胶对揭示水下粘合机理具有极其重要的意义，同时亦为新型多功能平台的设计打开了大门。

成果简介

东南大学章炜副教授，孙正明教授，华中科技大学赵强教授，滑铁卢大学赵博欣副教授，密西根州立大学Bruce P. Lee副教授合作在Chemical Society Reviews发表综述文章“Catechol-Functionalized Hydrogels: Biomimetic Design, Adhesion Mechanism, and Biomedical Applications”。该综述总结了受贻贝启发的粘合水凝胶材料，并介绍了三个相互关联的主题，具体包括：水对水凝胶附着力的破坏机制；仿生大分子DOPA的水下粘附机理；以及粘附水凝胶在生物工程领域的应用。近年来，每个主题都引起了极大的兴趣，涉及广泛而深刻的跨学科挑战。综述概述了水凝胶材料在水下粘附中存在的技术困难，着重介绍了表征水凝胶水下力学性能的相关参数，以及依此建立水凝胶材料的实验设计和评估方法，并总结了仿生粘性水凝胶的独特性能、合成方法和制备工艺，提出了水下粘附机理的新见解。

图文导读

Figure 1. 基于仿生原理的粘合水凝胶的设计，开发及其广泛的应用领域。

Figure 2.水凝胶在空气和水中的界面相互作用。

Figure 3.邻苯二酚基团在水下粘合中的多种作用：（a）瞬时粘合，（b）凝聚形成，和（c）湿粘合剂固化。

Figure 4.通过（a）邻苯二酚交联，（b）含邻苯二酚的共聚物的组装或交联以及（c）邻苯二酚-金属配位化学制备粘附水凝胶。

Figure 5. 用于生物组织粘合剂的仿生水凝胶:（a）具有自修复性能和增强细胞活性的皮肤粘合水凝胶；（b）修复胎膜的亲水性粘附水凝胶；（c）基于邻苯二酚-金属离子络合和导电PPy纳米粒子用于开发可自愈的导电水凝胶，用于对心肌组织的粘合；（d）用于修复肝组织的可快速凝血水凝胶粘合剂。

Figure 6. 用于药物递送的邻苯二酚官能化水凝胶：（a）含有邻苯二酚的水凝胶药物载体表现出增强的粘膜粘附特性。（b）可逆的邻苯二酚硼酸酯络合物用于设计具有pH响应的药物释放水凝胶；（c）基于邻苯二酚-金属离子络合的水凝胶胶囊。

总结

这篇综述详细介绍了基于贻贝启发的邻苯二酚功能化粘性水凝胶材料的设计和开发研究进展。通过使用邻苯二酚官能团设计水凝胶，其与各类表面之间的水下粘附性得以显著加强，优异的内在特性使粘性水凝胶在各种生物医学领域中得到了广泛的应用，包括组织修复和再生，防污和抗菌应用，药物输送以及细胞封装和输送等。该领域目前已取得了突破性进展，但仍存在关键性挑战，亟待持续研究。

文献链接：Chemical Society Reviews, 2020, DOI: 10.1039/C9CS00285E