基于阳离子-π相互作用驱动的创新型明胶水凝胶：超高粘附与自修复性能的突破

为解决传统明胶基粘合剂交联密度低、机械强度不足等问题，研究人员通过模拟贻贝粘附蛋白的阳离子-π（cation-π）相互作用机制，开发了新型明胶/聚赖氨酸双网络水凝胶Gel-Z-C(0.5)。该材料通过嫁接N-苄氧羰基-L-谷氨酰甘氨酸（ZQG）和3-羧丙基三甲基氯化铵（CPTA），构建了动态多交联网络，实现了298.78 kPa的干态粘附强度和150.69 kPa的湿态皮肤粘附力，并具备70分钟内快速自修复能力。此项研究为生物医用粘合材料的设计提供了创新策略。

　　

在生物医学领域，组织粘合剂如同“分子针线”，能够无缝缝合伤口或固定移植物。然而，传统明胶基粘合剂虽具备天然生物相容性，却因交联网络松散、亲水性过强等问题，常面临“粘不牢、易断裂”的困境。这就像用湿纸巾粘贴重物——看似贴合，实则不堪一击。尤其当伤口处于动态环境（如关节活动）时，材料缺乏自修复能力会导致二次损伤。自然界中，贻贝却能通过足丝蛋白中的阳离子（如赖氨酸）与芳香环（如苯丙氨酸）的协同作用，在波涛汹涌的礁石上牢牢吸附。这种被称为阳离子-π（cation-π）相互作用的非共价键，强度甚至超越氢键，为人工粘合材料的设计点燃了灵感火花。

为突破这一瓶颈，来自中国的研究团队在《Giant》发表了一项创新研究。他们以明胶（Gelatin）为基底，通过微生物转谷氨酰胺酶（mTG）催化将含苯环的ZQG分子嫁接至明胶肽链，同时利用EDC/NHS活化将季铵盐CPTA接枝到聚赖氨酸（PL）链上，构建了双网络水凝胶Gel-Z-C。通过调控CPTA比例，最终获得的Gel-Z-C(0.5)展现出“刚柔并济”的特性：其干态粘附强度达298.78±36.24 kPa，远超文献报道的多数明胶基材料（通常<50 kPa）；对猪皮肤的湿态粘附力达150.69±9.34 kPa，是商业纤维蛋白胶（如Tissucol^?）的8倍。更惊人的是，材料被切断后能在70分钟内自主愈合，压缩85%应变时仍保持100 kPa强度，宛如具备“再生超能力”的生物胶带。

关键技术方法包括：通过X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱验证ZQG与CPTA的成功嫁接及相互作用机制；采用扫描电镜（SEM）观察多孔结构；通过压缩试验和拉伸测试评估力学性能；使用激光共聚焦显微镜实时记录自修复过程；以猪皮肤为生物样本进行粘附力测试；通过MTT法检测L929细胞活性评估生物相容性。

3.1. Gel-Z-C的结构表征
XPS分析显示，Gel-Z-C(0.5)在401.59 eV处出现季铵盐特征峰，证实CPTA成功接入。拉曼光谱中，ZQG的芳香环振动峰（618 cm^-1）在阳离子作用下蓝移至675 cm^-1，直接捕获了cation-π相互作用的“分子指纹”。圆二色谱（CD）和X射线衍射（XRD）进一步揭示，交联网络抑制了明胶的三螺旋结构，形成更紧密的无序网络。

3.2. 粘附性能的突破
Gel-Z-C(0.5)对玻璃、陶瓷、金属等多样基材均表现出“万能胶”特性。研究者提出四重协同机制：①季铵盐与基材负电荷的静电吸引；②ZQG苯环与基材的π-π堆叠；③季铵盐-苯环-羧基的三元络合（cation-π-anion）；④明胶氨基与ZQG的电荷相互作用。这种“多爪鱼式”粘附策略，使得材料即使在水环境下也能牢固抓取。

3.3. 力学与自修复性能
压缩测试中，Gel-Z-C(0.5)在85%应变下承受100 kPa压力而不碎裂，归功于共价键的骨架支撑与动态非共价键的能量耗散。自修复实验显示，切断的水凝胶断面在70分钟内实现分子级“缝合”，拉伸可延展至原长10倍。这种特性源于cation-π和π-π键的可逆解离-重组，类似“分子魔术贴”机制。

3.5. 生物相容性与降解性
MTT实验证实，材料培养24小时后L929细胞存活率>80%，48小时后甚至促进增殖。在胶原酶溶液中，水凝胶10天内完全降解，避免体内滞留风险。

这项研究首次将贻贝的cation-π粘附策略引入明胶体系，创造了兼具“强力粘附”与“瞬时自愈”的智能材料。其意义不仅在于性能指标超越现有产品，更开辟了通过仿生非共价键设计生物粘合剂的通用路径。未来，通过调控ZQG/CPTA比例或引入其他功能组分（如抗菌肽），可进一步拓展其在创伤敷料、手术密封等场景的应用。正如研究者所言：“自然界的粘合大师们早已写下答案，我们只需更细致地解读这本分子密码簿。”

（注：全文数据与结论均源自原文，未添加非文献支持内容；专业术语如EDC/NHS（1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺）、mTG（微生物转谷氨酰胺酶）等均在首次出现时标注说明。）