质子化驱动粘附的仿生水凝胶：突破极端酸性环境下的组织修复难题

为解决传统水凝胶在强酸环境（pH≈2）下粘附力弱、结构易降解的问题，Yang等受胃粘膜启发开发了超稳定仿生水凝胶（UMIH）。该材料通过高等电点蛋白（HIP）质子化驱动静电相互作用、单宁酸（TA）氢键网络和六亚甲基二异氰酸酯（HDI）共价交联的协同作用，实现64.7 kPa的湿态粘附强度（pH 2下为临床用磷酸铝凝胶的15倍），并在7天内保持结构稳定。动物实验证实其能促进食管上皮重塑和血管生成，为胃肠道疾病治疗提供新策略。

　　

极端酸性环境下的组织粘附困境

胃酸环境（pH≈2）是生物医学材料面临的"禁区"，传统水凝胶在此条件下会因网络降解而失效。尽管水凝胶因其生物相容性和柔韧性在医疗领域备受青睐，但酸性环境导致的粘附力丧失和结构崩塌，使其难以应用于胃溃疡、食管反流等疾病的治疗。临床常用的磷酸铝凝胶（APG）粘附强度仅4.3 kPa，无法满足长期组织修复需求。

胃粘膜的仿生启示

自然界中，胃粘膜通过富含碱性氨基酸的黏液蛋白在强酸环境下形成保护层。受此启发，香港理工大学Zuankai Wang（王钻开）团队联合多机构开发了超稳定仿生水凝胶（UMIH）。该成果发表于《Cell Reports Physical Science》，通过分子层面的仿生设计，实现了"质子化增强粘附-酸中和-动态降解"三重突破。

关键技术方法

研究采用高等电点重组蛋白ELR-IK24（HIP）作为质子化基质，与单宁酸（TA）通过液相分离形成共凝聚体，再经六亚甲基二异氰酸酯（HDI）共价交联构建双网络结构。通过分子动力学模拟分析质子化界面相互作用，采用生物3D打印动态胃模型评估功能持续性，并在大鼠和猪食管损伤模型中验证治疗效果。

研究结果

UMIH的分子设计与网络结构

UMIH创新性地整合了三种组分：含24个连续赖氨酸的ELR-IK24蛋白（HIP）在pH 2时质子化产生+0.021 e/nm²表面电荷密度；TA提供16个酚羟基形成氢键网络；HDI构建共价交联骨架。扫描电镜显示其纤维直径约100 nm，显著优于无序结构的对照组。流变测试表明储能模量达10³ Pa，具备剪切稀化特性，适合内镜下注射。

强酸环境下的粘附性能

在pH 2条件下，UMIH的湿态粘附强度达64.7±8.3 kPa，较对照组（36.8±2.2 kPa）和APG提升75%和15倍。分子模拟显示质子化的赖氨酸残基与TA形成密集静电网络。酸中和测试表明其可缓冲28.51 mL盐酸，断裂能（G_c）达397 J/m²，7天后仍保持50%以上质量。

胃肠道疾病治疗的体外验证

UMIH促进Het-1A食管上皮细胞增殖（72小时达对照组2.1倍），并通过下调CD86 42.7%、上调CD206 68.3%诱导巨噬细胞向M2型极化。抗菌实验显示其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率超90%。

动物模型治疗效果

在猪食管损伤模型中，UMIH组毛细血管密度（52.3±6.8个/mm²）显著高于APG组，PCNA阳性细胞比例达68.5%。转录组分析显示Vegfa（血管生成）、Cend1（增殖）、Pfk1（代谢）和Mmp9（基质重塑）基因表达分别上调3.3-9.5倍。Western blot证实其通过激活PI3K/AKT通路促进修复。

研究结论与展望

该研究开发的UMIH突破了极端酸性环境下生物粘附材料的性能极限，其创新性体现在：①首创质子化驱动粘附机制，解决酸环境界面相容性问题；②通过HDI-TA双网络实现7天级功能持续性；③兼具抗菌（膜破坏作用）和免疫调节（M2极化）功能。每10克材料成本低于8美元，适合转化应用。未来可拓展至酸响应药物递送系统和可穿戴生物电子器件开发，为消化系统疾病治疗提供全新解决方案。