科学家创造了使用壳聚糖粘合水凝胶和其他聚合物材料的方法

水凝胶是一种多功能生物材料，征服了越来越多的生物医学领域。它们由水膨胀的分子网络组成，可以模仿各种器官和组织的机械和化学特征，可以在体内和外表面进行界面连接，甚至不会对人体解剖学中最脆弱的部分造成任何损害。

水凝胶已在临床实践中用于治疗性递送药物以对抗病原体;作为眼科中的眼内镜片和隐形眼镜以及角膜假体;组织工程和再生中的骨水泥、伤口敷料、凝血绷带和3D支架。

然而，将水凝胶聚合物快速而牢固地相互连接仍然是一项未满足的需求，因为传统方法通常会在比期望的粘合时间长之后导致粘合力变弱，并且依赖于复杂的程序。

实现聚合物的快速粘合可以实现许多新的应用，包括例如可以微调刚度以更好地贴合特定组织的水凝胶、用于医疗诊断的柔性电子器件的按需封装，或者创建自粘组织包裹物用于身体难以包扎的部位。

现在，哈佛大学维斯生物工程研究所和哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的科学家们创造了一种简单而通用的方法，可以立即有效地粘合由相同或不同类型的材料制成的层。水凝胶和其他聚合物材料，使用壳聚糖薄膜：一种源自加工过的贝类外骨骼的纤维状糖基材料。

研究人员成功地将他们的新方法应用于几个未解决的医学问题，包括组织的局部保护性冷却、血管损伤的封闭以及防止不应相互粘连的身体内部表面出现不必要的“手术粘连”。研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

“壳聚糖薄膜具有有效组装、微调和保护体内及体外水凝胶的能力，为再生医学和外科护理设备的制造提供了许多新的机会，”资深作者、怀斯研究所核心教员创始成员DavidMooney说，博士。

Mooney表示：“它们的应用速度、简便性和有效性使其成为高度通用的工具和组件，可用于手术期间通常在短时间内进行的体内组装过程，以及在制造设施中简单地制造复杂的生物材料结构。”他也是SEAS生物工程系RobertP.Pinkas家族教授。

设计新的债券

在过去的几年里，穆尼在Wyss研究所和SEAS的团队开发了“坚韧粘合剂”，这是一系列再生医学方法，使用可拉伸水凝胶通过强力粘附在湿组织表面并符合组织的机械特性来促进伤口愈合和组织再生。特性。

“精确配制的坚韧粘合剂和非粘性水凝胶为我们和其他研究人员提供了改善患者护理的新机会。但为了进一步提高其功能一个甚至多个步骤，我们希望能够将两种或多种水凝胶组合成更复杂的组件，共同第一作者、前Wyss研究员本杰明·弗里德曼(BenjaminFreedman)博士说道，他与穆尼(Mooney)共同开发了多项坚韧粘合剂。

“现有的即时粘合水凝胶或弹性体的方法具有显着的缺点，因为它们依赖于有毒的胶水、其表面的化学功能化或其他复杂的程序。”

通过生物材料筛选方法，研究小组确定了完全由壳聚糖制成的桥接膜。壳聚糖是一种糖聚合物，可以很容易地由贝类的甲壳质制成，并且已经找到了广泛的商业应用。例如，它目前用于处理种子和作为农业中的生物农药、防止酿酒过程中的腐败、自愈油漆涂层和医疗伤口处理。

研究小组发现，壳聚糖薄膜通过与传统水凝胶粘合方法不同的化学和物理相互作用实现了水凝胶的快速而牢固的粘合。

壳聚糖的糖链不是基于单个原子之间共享电子(共价键)而创建新的化学键(由pH值的微小变化引起)，而是迅速吸收水凝胶层之间的水分，并与水凝胶的聚合物链缠结，形成多个糖链。通过静电相互作用和氢键(非共价键)形成键。

这导致水凝胶之间的粘合力显着超过通过传统水凝胶粘合方法产生的粘合力。

首次应用

为了展示新方法的广泛潜力，研究人员重点关注了截然不同的医学挑战。他们表明，用壳聚糖薄膜改性的坚韧粘合剂现在可以轻松地包裹在圆柱形形状上，例如受伤的手指，作为自粘绷带，以提供更好的伤口护理。由于壳聚糖粘合水凝胶的含水量很高，它们的应用还可以实现人体皮肤底层的局部冷却，这在未来可能会导致烧伤治疗的替代方案。

研究人员还将水凝胶(坚韧凝胶)包裹在肠、肌腱和周围神经组织周围，其表面用壳聚糖薄膜进行了修饰，而不与组织本身粘合。

“这种方法提供了在手术期间有效地将组织彼此隔离的可能性，否则可能会形成‘纤维化粘连’，有时会造成毁灭性的后果。它们的预防是一个未满足的临床需求，商业技术还无法充分解决，”弗里德曼解释道。

在另一项应用中，他们在坚韧的凝胶上涂上了薄薄的壳聚糖薄膜，该凝胶已离体放置在受伤的猪主动脉上作为伤口密封剂，以增加绷带的整体强度，绷带暴露在血液脉冲通过的周期性机械力下。血管。

Wyss创始人表示：“戴夫·穆尼团队的这项研究中出现的众多可能性为生物医学水凝胶装置的工程增添了新的维度，这可能为再生和外科医学中紧迫的未解决问题提供优雅的解决方案，使许多患者受益。”主任DonaldIngber，医学博士、哲学博士，同时也是哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学JudahFolkman教授，以及SEAS仿生工程HansjörgWyss教授。

该研究的其他作者包括Wyss研究所和SEAS的共同第一作者JuanCintronCruz、MathewLee和JamesWeaver;SEAS的PhoebeKwon、HaleyJeffers和DanielKent;和凯尔·吴(KyleWu)在波士顿贝斯以色列女执事医疗中心。