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研究人口受蜗牛外膜启迪研究开发可逆的超强胶

日期:2020-01-05编辑作者:关于科技

宾夕法尼亚大学和利哈伊大学的工程师们研发了一种强大的可逆粘合剂,它使用了蜗牛用来附着和从表面上脱离的相同机制。蜗牛不断分泌粘液,以防止身体变干,并有助于运动。他们还使用这种粘液形成一种称为外膜的粘合层,以便将它们固定在适当的位置。这层粘液进入毛孔和表面的不规则处,在那里它变硬,但到了晚上,当环境变得潮湿,蜗牛决定继续前进时,硬化的粘液会变软,其粘合性能也会发生逆转。

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人类目前使用的粘合剂有两个方面:可拆卸,可重复使用的粘合剂很方便,但不是很强,而超强粘合剂是完全不可逆转的。我们真正需要的是两全其美的粘合剂。在Shu Yang(材料科学与工程系和化学与生物分子工程系教授)的带领下,该团队几乎意外地发现了一种可逆材料。在研究另一个项目时,研究人员使用了一种由聚羟基甲基丙烯酸乙酯的聚合物制成的水凝胶,这种聚合物通常用于隐形眼镜。研究人员发现,这种水凝胶的粘合性能与蜗牛的表膜非常相似。

普通胶带可在干燥物体表面轻松粘牢,但它一碰上湿润物体表面就不灵了,例如人体组织。这是因为,水分会将两个接触面的分子隔离开来,阻止了其相互作用。

简而言之,pHEMA在潮湿时呈橡胶状,但在干燥时呈刚性。事实上,当它干燥时,它变得像塑料瓶盖一样僵硬,但是它不会收缩并从表面上拉开,正是这种属性与表面形成了令人难以置信的牢固结合。但是,神奇的是,你可以重新润湿它,它会毫不费力地滑落。另外,pHEMA在体积增大时不会失去强力附着力。通常,粘合强度和尺寸之间存在负相关关系。由于pHEMA不依赖于脆弱的结构,因此没有这个问题。

在自然界潮湿环境中生活的贻贝和蜘蛛,显然没有这种困扰,它们能够去除接触面的水分从而形成强力粘合,科学家由此受到启发。

实验室中的这项测试和其他测试表明,虽然pHEMA可能不是最强的粘合剂之一,但它在可逆粘合剂中肯定是迄今为止最强的。虽然pHEMA确实令人印象深刻,但研究小组承认,由于其可逆性受水影响,因此不太适合广泛应用。

10 月 30 日,麻省理工学院机械工程系副教授赵选贺团队关于一种新型双面胶带的研究发表在《自然》杂志上。

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5 秒实现强力粘附

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在医学湿组织的粘附中,与缝合或钉合相比,粘合更具优势。目前已有的组织粘合剂主要依赖在组织表面水分中扩散其大分子单体或聚合物,来形成和湿组织的粘结。但这类粘合剂尚不成熟:粘附速度太慢,粘合力弱,与组织的机械匹配性差,生物相容性低,并且不方便保存或使用。

图 | 新型双面胶与此前组织粘合剂对比。图 a 和图 b 为之前的产品,依靠组织表面水分中扩散大分子单体或聚合物来形成湿组织粘结。图 c 和图 d 为新型双面胶,该聚合物能够快速干燥湿组织表面水分,在组织表面形成共价交联。

麻省理工学院机械工程系副教授赵选贺团队提出干燥交联机理,并发明了一种新型双面胶带。新型双面胶由明胶或壳聚糖这类生物聚合物和聚丙烯酸- N -琥珀酰亚胺酯组成,这是一种可生物降解的材料。其原理是,双面胶可以发生快速水合和溶胀,也就是说该聚合物能够快速干燥湿组织表面水分,从而与组织表面形成快速临时交联。随后双面胶与组织表面的胺基形成共价交联,进一步增强了粘合的强度和长期稳定性。

这是一种受生物启发的、但不是仿制生物的设计。赵选贺介绍说,现有的研究大多仿制能在潮湿环境中粘结的生物胶水的成分,例如其中的蛋白质。他们的工作是基于理解贻贝、蜘蛛等在潮湿环境下粘结的机理,然后用可以大规模生产的、廉价的、生物兼容的材料制造人体双面胶。

这一干燥效果在轻压组织表面下即可实现。体外小鼠、体内大鼠和离体猪的器官试验表明,无论在出血组织还是工程固体,这种双面胶可以在 5 秒内实现强力粘附。研究人员认为,这种双面胶可以作为组织粘合剂和密封剂,用于可穿戴设备和可植入设备与湿组织的粘附。

现有的组织粘合剂的粘附时间长于 1 分钟,并且它们的粘附性能包括韧性、剪切和拉伸强度,均弱于新型双面胶。虽然坚韧水凝胶粘合剂可以实现接近新型双面胶的韧性,但它需要在组织表面持续施压 5 分钟到 30 分钟才能实现有效粘附。

为了验证新型双面胶在跳动心脏的粘附性能,赵选贺将一个塑料贴片在 5 秒钟内粘在小老鼠跳动的心脏上,并保持在跳动心脏上牢固粘合很多天。

专访赵选贺

DeepTech:这项研究的突破是哪些?

赵选贺:第一个突破是在机理上。我们提出了干燥交联机理,来实现体内器官等潮湿表面的快速粘合,并保持粘合长期坚韧。

第二个突破是在生物胶水的形式上。我们发明了人体双面胶,不需要光照、紫外线、加热、搅拌、涂抹等操作,直接像使用双面胶那样应用在器官和植入设备上。与常用的液态生物胶水相比,更加方便医生使用。

第三个突破是在生物胶水的性能上。人体双面胶可以在 5 秒钟内粘合各种软湿器官以及植入设备,保持长期坚韧粘结和生物兼容,并且最终能实现生物降解。例如,我们可以把一个塑料贴片在 5 秒钟内粘在小老鼠跳动的心脏上,并保持在跳动心脏上牢固粘合很多天。

DeepTech:与现有生物胶水相比,新型双面胶的湿组织粘附性能如何?新型双面胶的使用有什么特别要求吗?

赵选贺:现有的商用生物胶水都需要一分钟以上的粘合时间,而粘合韧性在 20 焦耳每平方米 以下。人体双面胶仅需要 5 秒钟粘合各种组织器官,粘合韧性可高达 1000 焦耳每平方米;此外,虽然坚韧水凝胶的粘合韧性可达 1000 焦耳每平方米,但是需要 5-30 分钟持续稳定按压才能形成粘结。

DeepTech:这个双面胶的材料是新的发现吗?

赵选贺:是的。我们提出干燥粘合的新机理,设计了新的复合材料,解决了生物粘结和湿粘结领域的一个难题。需要强调的是,人体双面胶的每个成分都是现有的生物材料,而且都使用在 FDA 批准的产品中。

DeepTech:对于一些正在出血的伤口,双面胶的止血效果如何呢?或者说,出血伤口在多大的情况下可以适用?

赵选贺:虽然没有在本文中报告,我们发现干燥交联机理可以很好地应用在出血伤口上。我们正在做这方面的工作。

DeepTech:除了可穿戴设备和可植入设备与湿组织的粘附,这个双面胶也能用于日常伤口粘合吗?以及这个双面胶会在什么时候能有推广?

赵选贺:虽然本研究侧重于用双面胶粘合体内器官和植入设备,但我们发现双面胶可以有效地粘合并处理日常伤口,甚至是糖尿病人的慢性伤口。我们正在做这方面研究。

因为这个技术比较成熟,优势明显,可能救治很多病人,我们正在大力推广临床应用,也在考虑商业化。另外,干燥交联机理和人体双面胶已经通过 MIT 申请专利。

赵选贺简介

赵选贺,美国麻省理工学院机械工程系副教授。2003 年毕业于天津大学,2009 年博士毕业于哈佛大学机械工程系,师从国际著名力学家锁志刚教授。2010 年,他加入杜克大学机械工程与材料科学系担任助理教授,2014 年加入麻省理工学院机械工程系担任副教授。他目前的研究项目集中在固体力学、软材料、活性材料、生物材料、生物电子学和 3D 打印等交叉领域。

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