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研究背景

目前，手术缝合仍然是临床上最常用的受伤或手术后固定伤口组织的方法，特别是对于体内组织伤口。但是，手术缝合存在二次出血、正常组织损伤以及易穿孔渗漏等缺点。随着材料科学的不断发展，利用高分子材料纤维蛋白胶、氰基丙烯酸酯、肽和水凝胶等作为组织粘合剂，表现出替代传统手术缝合的巨大潜力。其中，水凝胶粘合剂因其与组织匹配的机械相容性和良好的生物相容性受到广泛关注。体内组织伤口修复的最大挑战在于不同组织/器官持续动态接触的复杂环境，易导致受伤组织在修复过程中与其它正常组织发生粘连产生严重的术后并发症，要求水凝胶粘合剂不仅可以对湿组织表面高强粘附，而且在粘合伤口后具备抗黏连能力。因此，开发同时具有粘附和抗粘附性能的不对称结构和功能的水凝胶用于体内伤口修复意义重大，但目前报道的不对称结构Janus水凝胶的制备过程繁琐，结构调控复杂，不利于临床应用。

近日，华南农业大学生物质工程研究院刘珍珍教授课题组提出了一种快捷构筑具有不对称粘附的Janus水凝胶的通用策略，通过调控水凝胶内部乳液液滴的自组装行为及其上下表面分布，首次利用一步法制备了不对称粘附的湿表面生物粘合剂MAH水凝胶（图1）。实验结果表明，在600rpm低转速下，由疏水性单体和表面活性剂组成的较大的乳液液滴，主要分布于水凝胶的上表面，促使更多的-COOH基团在下表面富集，形成了上表面疏水下表面亲水的不对称结构。水凝胶下表面在物理/化学作用共同影响下，实现对湿组织表面的高强快速粘附，水凝胶上下表面的组织粘附强度差高达20。兔子胃穿孔修复实验结果证明，MAH水凝胶不仅牢牢地粘附在胃部组织伤口促进愈合，而且可以有效地防止术后粘连，在体内组织伤口修复方面应用潜力巨大。

图1 一步法构筑Janus水凝胶的示意图和MAH水凝胶上下表面的光学显微镜及三维轮廓图像

如图1 所示，通过光学显微镜测试和三维轮廓仪对600rpm和3000rpm转速条件下制备的水凝胶MAH-600和MAH-3000的表面微观形貌进行了表征分析，证明了MAH-600上表面聚集了大量的大尺寸油滴，且上下表面差异巨大，而MAH-3000上表面仅有少量微小油滴分布，两面差异性小。进一步通过动态光散射测试(图2)，证明了MAH-600的预聚液形成的乳液液滴尺寸显著高于高转速条件制备的MAH-3000的液滴尺寸；通过接触角测试证明MAH-3000水凝胶的上下表面均为亲水，MAH-600水凝胶上下表面差异明显，表现为上表面疏水，下表面亲水。通过以上测试，结合SEM形貌和EDX能谱分析结果，证明了通过调控转速可以有效调控MAH水凝胶的上下表面形貌、结构和极性。

图2 MAH-600/3000水凝胶的不对称结构机理示意图

如图3所示，进一步表征了表面活性剂分子结构、转速和不同湿组织类型对MAH水凝胶粘附性能的影响，实验结果证明在最佳配方和制备工艺条件下，MAH-600水凝胶的湿组织粘附强度高到275 J/m2，同时该水凝胶两面粘附强度差异为20。随着水凝胶按压时间从5 min增加到70 min，其粘附强度从274 J/m2增加到552 J/m2，直至趋于稳定，可适用于各种对粘接能力要求不同的体内组织伤口修复场景。

图3 MAH水凝胶不对称粘附性能评价

通过体外猪器官（肺、胃、心脏）实验进一步验证了MAH水凝胶对潮湿和动态组织的粘合性能。如图4所示，用MAH-600粘住肺部穿孔后，按压30秒后在水下不再漏气，验证了MAH-600可以对受损的肺叶在湿润状态下实现快速密封粘接；MAH-600修补的穿孔的猪胃可以承受不断增大的内部水压，证明了其强大的湿组织粘接性能。此外，由于含有大量离子，MAH-600也表现出优良的导电性，结合其强大的湿组织粘接性能，可以被应用于心脏跳动的实时监测。

图4 MAH水凝胶湿组织粘附性能及其体内传感应用展示

通过建立兔子胃穿孔模型，以手术缝合作为对照组，评价了MAH水凝胶在活体动物体内组织伤口修复中的应用效果。如图5所示，MAH-600水凝胶在修复伤口第14天时，受损组织伤口已完全愈合且无粘连情况产生，而手术缝合的对照组在第7天时就已经观察到了严重的组织粘连情况。动物实验的结果，证明了MAH水凝胶在体内组织伤口修复方面具有的巨大应用潜力，为后续进一步推动MAH水凝胶的临床应用奠定了基础。

图5 MAH水凝胶动物体内评估

该研究以“An Integrally Formed Janus Hydrogel for Robust Wet-tissue Adhesive and Anti-postoperative Adhesion”为题发表于最新一期的《Advanced Materials》期刊。论文第一作者为华南农业大学生物质工程研究院 硕士研究生王海燕 ，论文的通讯作者是华南农业大学食品学院 刘涛副教授 和华南农业大学生物质工程研究院 刘珍珍教授 。同时，该工作得到了华南农业大学 王清文教授 和生物质先进材料团队的大力支持和帮助。

该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和广州市教育局林业工程重点学科项目的资助。

原文信息

An Integrally Formed Janus Hydrogel for Robust Wet-tissue Adhesive and Anti-postoperative Adhesion

Haiyan Wang, Xin Yi, Tao Liu*, Jing Liu, Qinan Wu, Yonghui Ding, Zhenzhen Liu*, Qingwen Wang

DOI：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202300394

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