综述:仿生湿粘合剂:助力硬组织修复的创新突破

【字体: 时间:2025年02月28日 来源:Acta Biomaterialia 9.4

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  为解决硬组织湿粘合难题,研究人员开展湿粘合剂设计策略研究,总结现状并明确方向,推动临床应用。

  在材料化学和生物医学研究领域,开发能在水环境中实现粘合,尤其是用于骨骼、牙齿和软骨等硬组织的湿粘合剂(wet adhesives),一直是个重大挑战。目前临床使用的硬组织粘合剂,其湿粘合性能并不理想。大自然中,海洋生物的粘附机制为湿粘合剂的设计提供了宝贵灵感。除了仿生方法,还有其他策略可用于设计湿粘合剂。
粘合剂在日常生活和众多行业都有广泛应用。市场上有各种为不同用途设计的聚合物粘合剂,它们通常在有氧环境下的干燥固体表面发挥作用。然而,人体内部是天然湿润的环境,在生物医学领域,湿粘合剂的需求十分迫切。但在水环境中实现牢固的界面结合,比在大气条件下困难得多。当材料浸入水中时,水分子会在其表面形成水化层,阻碍粘合剂与基底在分子层面的连接,而且水滴容易滞留在界面处,减少宏观接触面积。此外,粘合接头长时间接触水,会加剧粘合剂的内聚破坏,因为水分子会渗透到粘合剂中,引发塑化、溶胀、侵蚀、降解或水解等过程。

尽管如此,许多生物在进化过程中具备了水下粘附的能力。过去几十年,受海洋生物牢牢附着在水下礁石现象的启发,研究人员致力于设计仿生高强度湿粘合剂。例如,贻贝和沙堡蠕虫等固着海洋生物利用 L - 3,4 - 二羟基苯丙氨酸(DOPA)实现持久的水下粘附,而鮣鱼和喉盘鱼等水生生物则借助独特的微观结构实现短暂的水下粘附。对海洋生物粘附的研究发现,这些生物的湿粘附主要通过两种机制:由蛋白质类胶水介导的化学相互作用和通过微 / 纳米级结构的物理吸附,胶水和结构之间还存在协同效应。此外,还有基于氢键、静电相互作用、动态共价键、拓扑缠结和干聚合物交联等机制开发的其他粘合剂。

硬组织,包括骨骼、牙齿,有时也涵盖软骨,目前尚未从临床有效的湿粘合剂中受益。临床常用的骨或软骨粘合剂主要是磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cements )和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥,牙科粘合剂通常由甲基丙烯酸甲酯构成,但这些材料都没有显著的湿粘合特性。适合硬组织的湿粘合剂所需的机械和化学性能,与软组织的有很大差异,这主要是因为硬组织具有独特的成分、结构和生理功能。然而,由于缺乏具体的设计指南,硬组织湿粘合剂的发展受到了阻碍。因此,系统回顾硬组织湿粘合剂的最新进展,并提出未来研究方向,对推动湿粘合剂的临床应用,促进材料化学和生物医学研究的发展至关重要。

开发湿粘合剂的一种有效方法是从大自然中获取灵感。自然界生物的湿粘附策略主要可分为两类:粘合剂成分的化学效应和微 / 纳米结构的物理效应。

骨骼是一种复杂的生物材料,主要由无机和有机成分组成。无机成分主要以羟基磷灰石(hydroxyapatite)的形式存在,约占干骨重量的 70%,有机基质包括 I 型胶原蛋白和其他生物大分子,约占干骨重量的 30%。新鲜骨骼的含水量约为其湿重的 50 - 60%。

目前,应用于硬组织的湿粘合剂,类似前面提到的分类方式,可分为贻贝仿生型、沙堡蠕虫仿生型、其他类型仿生型和其他类别。

当硬组织受损或破碎时,使用粘合剂进行粘合修复是创伤最小的方法。然而,硬组织处于持续的生理湿润环境中,这给粘合剂修复带来了挑战。在过去十年里,湿表面粘合剂领域取得了显著进展,但专门为硬组织设计的湿粘合剂仍然很少。硬组织湿粘合剂的设计必须综合考虑多种因素,以满足硬组织在复杂生理环境中的粘附需求,这也为未来的研究指明了方向。
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