Degradable and Removable Tough Adhesive Hydrogels

Mar 24, 2021

https://doi.org/10.1002/adma.202008553

关键词：高强度粘性水凝胶；互穿网络；可降解交联剂；可控降解；按需无损移除；生物医用粘合剂

一、研究背景

高强度粘性水凝胶能够在湿润、动态的体内组织表面实现牢固粘合，在组织修复、伤口闭合、药物递送等生物医学领域具备巨大应用前景。但现有高性能韧性粘合水凝胶大多采用不可降解组分制备，植入体内后会长期留存，往往需要二次外科手术取出，增加患者痛苦与手术风险。

普通水凝胶力学韧性远不及天然生物组织；虽然通过物理共价互穿网络策略已经开发出高强韧组织粘合剂，但可降解版本依旧存在短板：往往降解后力学、粘合性能大幅衰减，很难同时兼顾高强韧性、高组织粘合能、可调控降解、安全可移除多项指标。

针对上述痛点，本工作采用 “替换交联剂 + 改造离子网络” 双策略：将传统不可降解交联剂 MBAA 替换为多种可水解 / 酶降解交联剂，同时采用氧化海藻酸盐改造离子交联网络，制备一系列可降解高强度粘性水凝胶。材料保持与不可降解体系相当的力学与粘合性能；可通过交联剂种类调控降解速率，实现数周到数月体内降解；并且可以利用特定化学试剂实现水凝胶按需无损移除，不会损伤下方皮肤组织，拓展医用粘合剂的应用场景。

二、实验

2.1 实验药品

海藻酸盐（高分子量、低分子量）、丙烯酰胺；不可降解交联剂 N,N'- 亚甲基双丙烯酰胺（MBAA）；可降解交联剂：聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、泊洛沙姆二丙烯酸酯（PoloxDA）、氧化海藻酸盐甲基丙烯酸酯（OxAlgMA）、明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）、透明质酸甲基丙烯酸酯（HAMA）；四甲基乙二胺 (TEMED)、过硫酸铵、硫酸钙二水合物；壳聚糖；EDC、磺化 N羟基琥珀酰亚胺 (NHS)；胶原酶、透明质酸酶；PBS、HBSS 缓冲盐；氯化钙、硝酸钠、叠氮化钠；DMSO、甲酸；氨基乙基甲基丙烯酰胺盐酸盐 (AEME)、甲基丙烯酸酐；乙醇、甲醛；苏木精伊红染色试剂；氰基丙烯酸酯；藻酸盐裂解酶、EDTA、柠檬酸、过氧化氢、溶菌酶等移除试剂。

2.2 实验步骤

① 氧化海藻酸盐合成：高碘酸钠氧化海藻酸盐，再经亚氯酸钠进一步氧化，TFF 纯化、冻干； ② 氧化海藻酸盐甲基丙烯酸酯 OxAlgMA 制备：氧化海藻酸盐与 AEME 在 MES 缓冲液，EDC/NHS 活化羧基，丙酮沉淀、真空干燥；GelMA：A 型猪皮明胶与甲基丙烯酸酐反应，透析冻干；体内实验 GelMA 直接购买商用产品。 ③ 水凝胶制备：不可降解凝胶：海藻酸盐 + 丙烯酰胺 + MBAA，与过硫酸铵硫酸钙二水合物溶液混合，模具交联 24 h；可降解凝胶：把 MBAA 替换成各类可降解交联剂，其余操作保持一致。 ④ 粘合测试：壳聚糖 + EDCNHS 涂覆于水凝胶表面，压合在皮肤基材，开展 180° 剥离测试评价粘合能。 ⑤ 体外降解：水凝胶圆片浸泡含对应酶的 PBS，不同时间取样冻干称重，追踪质量损失。 ⑥ 小鼠皮下植入：Balb/C 小鼠背部造囊袋植入水凝胶，缝合；高频超声 HFUS 定期观察；分别于 1、2、4、8、16 周取材，收集水凝胶与脏器样本。 ⑦ 可移除评价：使用藻酸盐裂解酶、EDTA、柠檬酸、H₂O₂、溶菌酶处理水凝胶，测试处理后力学、粘合能；结合动物实验观察移除后皮肤组织损伤情况。

2.3 测试表征方法

Instron 3342 拉力机纯剪切测试，获取最大拉伸、断裂应力、断裂能；180° 剥离测试得到粘合能；HPLCMS 检测残留丙烯酰胺单体；冻干称重法评价体外降解；高频超声 HFUS 监测体内凝胶厚度变化；脏器与水凝胶样本 HE 组织学染色，盲态病理评分细胞浸润、纤维囊厚度；GPC 监测壳聚糖分子量变化；HFUS 与组织切片共同评估皮肤组织损伤。

三、结果与讨论

图 1｜可降解高强度粘合剂水凝胶的设计策略与化学结构图 1a 展示两类改性思路：共价网络替换不可降解交联剂；离子网络采用氧化海藻酸盐；壳聚糖粘合层降解受脱乙酰度调控。 图 1b 分别展示可水解降解（PEGDA、PoloxDA、OxAlgMA）、酶降解（GelMA、HAMA）交联剂，以及各聚合物化学结构式。 本研究不改动双网络互穿架构，仅替换网络组分。共价网络把 MBAA 替换成不同降解机理交联剂；离子网络采用氧化海藻酸盐。不同交联剂赋予水凝胶水解或者酶促降解能力，壳聚糖作为界面粘合桥接组分，依靠脱乙酰度实现自身可降解，从分子层面给出整套材料的设计基础。

图 2｜不同可降解交联剂水凝胶的力学、粘合性能及体外加速降解图 2a 最大拉伸量；图 2b 最大应力；图 2c 断裂韧性；图 2d 交联剂使用浓度；图 2e 粘合能；图 2f 加速老化缓冲液中干重随时间变化。 PEGDA、PoloxDA、GelMA 交联的水凝胶，最大拉伸、断裂应力、断裂韧性与不可降解 MBAA 对照组相当甚至更优；OxAlgMA、HAMA 组力学性能明显下降。粘合能规律与力学趋势保持一致，PEGDA、PoloxDA、GelMA 粘合能和 MBAA 接近。体外加速降解：所有可降解交联剂水凝胶均发生质量衰减；除 HAMA 以外其余可降解组 2 周内实现完全降解；MBAA 不可降解对照组几乎无质量损失。

图 3｜小鼠皮下植入模型，体内降解行为长达 16 周评价图 3a 五种可降解水凝胶与不可降解对照凝胶小鼠皮下植入实验方案；图 3be 不同时间 HFUS 超声成像监测水凝胶厚度；图 3f 植入后不同时间点水凝胶剩余干重。 PEGDA、PoloxDA 交联水凝胶体内降解快，4 周左右厚度与干重显著下降，基本降解完全；HAMA、OxAlgMA 降解速率慢，16 周超声厚度变化不明显，但干重显著下降；GelMA 交联体系 16 周未观察到明显降解。证明依靠交联剂选型，可以把体内降解时间在数周数月区间灵活调控。

图 4｜体内植入水凝胶生物相容性组织学评估图 4ac 快速降解组（MBAA、PEGDA、PoloxDA）植入 1/2/8 周：细胞浸润、纤维囊评分与 HE 染色切片； 图 4df 慢速降解组（MBAA、OxAlgMA、GelMA、HAMA）植入 4/8/16 周：细胞浸润、纤维囊评分与 HE 染色切片。 快速降解 PEGDA、PoloxDA 组细胞浸润、纤维包裹评分轻微；慢速降解 OxAlgMA、GelMA、HAMA 组，即使 16 周植入，纤维囊与炎症浸润依旧维持轻微水平；所有实验组肝、脾、肾均未发现器官毒性；切片可见水凝胶周围纤维包裹极少，炎症白细胞聚集少，证明整套可降解水凝胶具备良好体内生物相容性。

图 5｜化学试剂按需移除策略、材料性能变化以及皮肤损伤评估图 5a 水凝胶弱化、可移除设计思路：钙螯合剂破坏离子交联，酶降解海藻酸盐 / 壳聚糖； 图 5b 不同移除试剂处理之后水凝胶力学韧性的变化； 图 5c 猪皮基材 180° 剥离，不同移除剂处理后的粘合能； 图 5d 小鼠皮肤植入移除后 HFUS 与组织学评估实验方案； 图 5e 对照组、本水凝胶处理组、商用 Dermabond / 氰基丙烯酸酯粘合剂移除之后 HFUS 以及 HE 组织切片。 EDTA、柠檬酸、H₂O₂、藻酸盐裂解酶、溶菌酶均能够显著降低水凝胶韧性；溶菌酶、藻酸盐裂解酶、H₂O₂处理 10 min 即可大幅降低粘合能。动物组织学结果：藻酸盐裂解酶处理后移除本款水凝胶，表皮完整无损伤；商用氰基丙烯酸酯类粘合剂移除时造成表皮缺失损伤，证实该水凝胶可以实现按需无损剥离。

四、全文总结

本工作采用 “替换共价交联剂 + 改造离子网络” 双策略，开发了系列可降解高强度粘性水凝胶。

1.在保留海藻酸盐聚丙烯酰胺互穿双网络高强韧骨架基础上，将不可降解 MBAA 替换为水解型 PEGDA/PoloxDA/OxAlgMA，或酶降解型 GelMA/HAMA 交联剂。PEGDA、PoloxDA、GelMA 体系力学性能、粘合能与传统不可降解水凝胶基本持平，实现超过 20 倍拉伸、＞6 kJ/m² 断裂能、＞1000 J/m² 粘合能。

2.降解速率高度可调：体外加速条件可 2 周完全降解；体内依靠交联剂选型实现数周到数月宽范围降解调控，适配不同医用场景需求。

3.体内长达 16 周皮下植入实验，全部实验组纤维包裹程度轻微，脏器无毒性，具备优异生物相容性。

4.利用钙螯合剂、特异性降解酶等试剂，能够破坏离子交联或界面壳聚糖粘合层，实现水凝胶按需移除；移除后不会损伤皮肤表皮组织，克服商用粘合剂移除易损伤组织的缺陷。

该研究打破 “可降解材料必然牺牲力学粘合性能” 的固有认知，兼顾高强韧、强湿态粘合、可控降解、无损可移除多重优势，原料多为 FDA 认可的生物相容性组分，为伤口闭合、组织修复、植入医用粘合剂提供有转化潜力的新材料方案。

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