基于可持续蓖麻油的粘合剂，具备优异的粘合性能和生物相容性，适用于生物医学领域

《Industrial Crops and Products》：Sustainable castor oil-based adhesives with enhanced adhesive and biocompatible properties for biomedical applications

本研究采用溶剂-free的一锅法合成高含量蓖麻油基胶粘剂（COA），通过FTIR、DSC、TGA等分析其结构、热稳定性和润湿性，发现COA在70%以上含量时表现出优异的粘合性能（180°剥离强度11.06 N/25 mm）和热稳定性（-15°C至251°C），且通过细胞毒性测试和动物模型验证具有低毒性和促进血管生成的生物相容性，为可持续医用粘合剂开发提供新方案。

　　### 非石油基生物基粘合剂的开发与应用前景

近年来，随着全球对环境保护和可持续发展的重视，人们开始寻求替代传统石油基材料的绿色解决方案。在众多可再生资源中，蓖麻油因其丰富的储量、可再生性以及环境友好性，逐渐成为研究的热点。蓖麻油是一种从蓖麻种子中提取的非食用植物油，具有较高的产量和独特的化学结构，为开发高性能的生物基粘合剂提供了理想的基础材料。然而，尽管蓖麻油在工业和医疗领域展现出广泛的应用潜力，但目前基于蓖麻油的粘合剂（COA）在粘附性能和生物相容性方面仍面临一定的挑战。例如，许多现有粘合剂存在粘附力不足、热稳定性差或生物活性不够等问题，同时复杂的合成工艺和有毒溶剂的使用也限制了其在生物医学领域的广泛应用。

本研究通过采用一种简单、无溶剂的一锅法合成蓖麻油基粘合剂，旨在优化其粘附性能和生物相容性。实验中使用的原料包括蓖麻油、环己基异氰酸酯（CHIC）和异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI），并通过对粘合剂进行系统分析，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）以及水接触角测试，全面评估其化学结构、热性能和表面润湿性。此外，还通过细胞活力实验和组织学分析对COA的细胞毒性和生物相容性进行了评估。结果显示，蓖麻油含量超过70%的COA表现出优异的粘附性能，包括初始粘附力（球数13）、180°剥离强度（11.06 N/25 mm）和粘附力保持时间（16.2小时），同时具备良好的热稳定性（-15°C至251°C）和生物相容性。值得注意的是，COA在动物模型中表现出极低的细胞毒性，并且未引起明显的皮肤刺激反应。此外，COA的处理能够促进血管生成并支持组织修复，表明其在生物医学领域的应用潜力。

### 蓖麻油的特性与优势

蓖麻油作为一种非食用植物油，具有独特的化学结构和物理特性，使其在粘合剂开发中具有显著优势。首先，蓖麻油含有丰富的羟基（-OH）和酯基（-COO-），这些官能团可以与异氰酸酯（-NCO）发生反应，形成稳定的聚氨酯结构。这种结构不仅赋予粘合剂良好的粘附性能，还增强了其热稳定性和生物相容性。其次，蓖麻油的可再生性和环保特性使其成为替代石油基粘合剂的理想选择。随着全球对减少碳排放和资源可持续利用的关注，寻找可替代传统石油基材料的生物基原料已成为材料科学和生物医学领域的重要研究方向。

此外，蓖麻油在工业生产中的广泛应用也为其在粘合剂领域的开发提供了便利。例如，蓖麻油已被用于制药、润滑剂、泡沫塑料和粘合剂等多个领域。其产量在2019年达到了约2710万吨，显示出其作为“生物石油”的巨大潜力。然而，尽管蓖麻油在多个工业领域中表现优异，其在粘合剂领域仍面临一些挑战。例如，蓖麻油的多官能团结构可能导致粘合剂在合成过程中出现过度交联或分子链结构不稳定的问题，从而影响其粘附性能和生物活性。因此，如何通过合理的化学修饰和结构设计，优化蓖麻油基粘合剂的性能，成为当前研究的重点。

### COA的合成与性能优化

本研究采用了一种简单、高效的无溶剂一锅法合成蓖麻油基粘合剂，以解决传统方法中存在的复杂合成步骤和有毒溶剂使用的问题。该方法的核心在于通过环己基异氰酸酯（CHIC）与蓖麻油的反应，将蓖麻油中的三官能团转化为二官能团结构，从而促进后续的线性聚合反应。这种设计不仅提高了反应效率，还减少了对环境的污染。此外，通过调整异氰酸酯与羟基的比例，研究人员能够系统地研究其对粘合剂性能的影响。例如，当异氰酸酯含量增加时，粘合剂的分子量也随之提高，从而增强了其粘附力和热稳定性。

在实验过程中，研究人员对不同比例的COA进行了详细的性能测试。其中，COA-3表现出最佳的粘附性能，其初始粘附力达到球数13，180°剥离强度为11.06 N/25 mm，粘附力保持时间为16.2小时。相比之下，市面上的商用粘合剂（如3M? Medical Silicone Tape 2475 P和Avery Dennison的聚氨酯泡沫/薄膜粘合剂）的剥离强度分别为0.8和2.94 N/in，远低于COA-3的性能。这一结果表明，COA在粘附性能方面具有显著优势，具备在医疗贴片和易剥离标签等应用领域的潜力。

### 材料性能的系统评估

为了全面评估COA的性能，研究人员采用了多种分析手段。首先，通过FTIR分析，研究人员确认了COA的化学结构是否符合预期。FTIR结果表明，蓖麻油中的羟基在反应后发生了变化，新的尿烷键（如C=O和N–H弯曲振动）的出现进一步验证了反应的完成。此外，通过DSC测试，研究人员评估了COA的玻璃化转变温度（Tg），发现随着异氰酸酯含量的增加，Tg逐渐上升，表明粘合剂的热稳定性得到了改善。TGA测试则进一步证实了这一结论，显示COA的热分解温度在251.57°C至275.46°C之间，表明其具有良好的耐高温性能。

除了热性能，COA的表面润湿性也是影响其粘附性能的重要因素。通过水接触角测试，研究人员发现COA的接触角在91°左右，表明其具有良好的润湿性。这一特性使得粘合剂能够更均匀地覆盖在基材表面，从而增强其与基材之间的相互作用力。润湿性的提高不仅有助于提升粘附强度，还能够改善粘合剂的流变性能，使其在实际应用中更具优势。

### 生物相容性与安全性评估

在生物医学应用中，材料的生物相容性至关重要。因此，本研究通过细胞活力实验和组织学分析，对COA的生物相容性进行了系统评估。实验结果显示，COA在不同浓度下均未表现出显著的细胞毒性，其对Vero细胞和L929细胞的细胞活力均保持在较高水平。例如，在100%浓度下，COA对Vero细胞的细胞活力达到了96.8%，对L929细胞的细胞活力也保持在78.0%以上，表明其对细胞的生长和功能没有负面影响。

此外，研究人员还通过皮肤红斑测试和组织学染色，评估了COA在动物模型中的安全性。实验结果显示，COA在应用7天后未引起皮肤红肿或其他刺激反应，且皮肤组织结构保持完整，无明显炎症细胞浸润。这进一步验证了COA的生物相容性。对于肌肉组织，COA同样表现出良好的安全性，其应用后肌肉纤维的结构接近正常，细胞核保持圆形，无明显坏死现象。这些结果表明，COA不仅具有良好的粘附性能，还具备优异的生物安全性，适用于皮肤和肌肉组织的修复。

### 促进组织修复的机制探讨

除了基本的粘附性能和生物相容性，COA还表现出促进组织修复的独特功能。通过组织学分析，研究人员发现COA能够显著提升血管生成相关标志物CD31的表达水平。CD31是血管内皮细胞的重要标志物，其表达水平的增加表明COA能够促进血管生成，从而加速组织修复过程。这一特性与COA的化学结构密切相关，其表面的尿烷键可能通过激活血管内皮细胞的生长因子受体（如VEGFR2）来促进血管生成。

此外，COA还表现出一定的抗炎作用。在肌肉组织修复过程中，COA处理组的IL-6（一种促炎性细胞因子）表达水平显著降低，而Arg1（一种抗炎性标志物）的表达则保持稳定。这表明COA能够通过抑制NF-κB信号通路，减少炎症反应，从而促进组织的自然修复。NF-κB通路是炎症反应的核心调控机制，其活性的降低意味着COA能够有效减少组织损伤后的炎症反应，为组织修复创造更有利的微环境。

### 实际应用与未来展望

本研究的成果不仅为开发高性能的生物基粘合剂提供了新的思路，也为绿色材料的推广提供了实践依据。COA因其优异的粘附性能、良好的热稳定性和出色的生物相容性，有望在多个领域得到应用。例如，在医疗领域，COA可以作为无缝合的皮肤和肌腱切口密封剂，用于手术缝合和组织修复。在工业应用中，COA可以作为固定手术网片或移植物的粘合剂，其良好的粘附力和生物相容性使其成为一种理想的材料选择。此外，COA还可以用于水凝胶和透明薄膜敷料的制备，以及经皮给药贴片的生物相容性层。

随着全球对可持续材料的需求不断增长，COA的研究和开发具有广阔的前景。未来，研究人员可以进一步优化其合成工艺，探索其在更多生物医学应用中的潜力，如组织工程支架、药物缓释系统等。此外，通过与其他生物活性物质的结合，COA的性能还可以进一步提升，使其在复杂组织修复和再生医学中发挥更大的作用。

### 结论

综上所述，本研究通过采用简单、无溶剂的一锅法合成蓖麻油基粘合剂，成功开发出一种具有优异粘附性能和生物相容性的新型粘合材料。COA在多种性能指标上均优于传统石油基粘合剂，表现出良好的热稳定性、润湿性和组织修复能力。这些特性使其在工业和生物医学领域具有广泛的应用前景。随着对可持续材料需求的增加，COA有望成为替代传统石油基粘合剂的理想选择，为绿色材料的开发和应用提供新的方向。未来的研究可以进一步探索COA在不同应用场景中的性能表现，并通过结构优化和功能增强，拓展其在生物医学和环保材料领域的应用范围。