一種快速、高效黏合水凝膠的新技術有可能大幅推動新型生物材料的開發，滿足各種尚未滿足的臨床需求。水凝膠因其適應性強而在各種生物醫學領域日益盛行。這些生物材料由遇水膨脹的分子網絡組成，可以根據需要定制，以複製不同器官和組織的機械和化學特性。這使它們能夠與人體的內外表面相互作用，甚至不會傷害人體解剖結構中最脆弱的部位。

這幅插圖重點介紹了兩種水凝膠（藍色顯示）如何透過殼聚醣薄膜（橙色顯示）以不同方式結合在一起。形成的黏結異常牢固，可以抵抗高張力。資料來源：Peter Allen、Ryan Allen 和James C. Weaver。

在臨床實踐中，水凝膠已被用於抗病原體的治療性給藥，眼科中的眼內鏡、隱形眼鏡和角膜假體，組織工程和再生中的骨水泥、傷口敷料、凝血繃帶和三維支架。

然而，水凝膠聚合物之間的快速強力黏附仍是一項尚未解決的需求，因為傳統方法往往會在黏附時間超過預期後導致黏附力減弱，而且依賴於複雜的程序。實現聚合物的快速黏合可以帶來許多新的應用，例如，可以對水凝膠的硬度進行微調，使其更好地貼合特定組織；按需封裝用於醫療診斷的柔性電子裝置；或為身體難以包紮的部位製作自黏性組織包裹。

現在，哈佛大學維斯生物啟發工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）和哈佛大學約翰-保爾森工程與應用科學學院（John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的科學家利用殼聚醣薄膜創造了一種簡單而多用途的方法，可以立即有效地粘合由相同或不同類型的水凝膠和其他聚合物材料製成的層。他們成功地將新方法應用於幾個尚未解決的醫學問題，包括組織的局部保護性冷卻、血管損傷的密封，以及防止本不應相互粘連的身體內部表面發生不必要的”手術粘連”。研究結果發表在《美國國家科學院院刊》。

“殼聚醣薄膜具有在體內和體外有效組裝、微調和保護水凝膠的能力，為創造再生醫學和外科護理設備提供了許多新機會，”該研究的資深作者、Wyss 研究所創始核心成員David Mooney 博士說，”殼聚醣薄膜的應用速度快、簡便、有效，使其成為用途廣泛的工具和組件，可在手術過程中通常很短的時間內完成體內組裝過程，並可在製造設施中簡單地製造複雜的生物材料結構。”穆尼也是SEAS 的羅伯特-平卡斯家族生物工程學教授。

工程學的新紐帶

過去幾年來，穆尼在威斯研究所和SEAS的團隊開發出了”強韌黏合劑”，這是一系列再生醫學方法，使用可拉伸水凝膠，透過強力黏附在濕組織表面並符合組織的機械特性，促進傷口癒合和組織再生。”精確配製的韌性黏合劑和非黏性水凝膠為我們和其他研究人員提供了改善病人照護的新機會。但是，為了將它們的功能更進一步甚至更多步，我們希望能夠將兩種或更多水凝膠組合成更複雜的組合體，並以簡單的過程快速、安全地實現這一目標，”共同第一作者、前Wyss 研究助理Benjamin Freedman 博士說，他與穆尼一起帶頭開發了幾種強韌黏合劑。現有的即時黏合水凝膠或彈性體的方法有明顯的缺點，因為它們依賴有毒膠水、表面化學功能化或其他複雜的程序。

透過生物材料篩選方法，研究團隊確定了完全由殼聚醣製成的橋接薄膜。殼聚醣是一種含糖聚合物，可以輕鬆地從貝類的甲殼素外殼中提取出來，目前已廣泛應用於商業領域。例如，它目前被用於處理種子和農業生物殺蟲劑、防止釀酒過程中的腐敗、自癒合塗料以及醫療傷口管理。

研究小組發現，殼聚醣薄膜透過與傳統水凝膠黏合方法不同的化學和物理相互作用，實現了水凝膠快速而牢固的黏合。殼聚醣的糖鏈不是透過單個原子之間的電子共享（共價鍵）來產生新的化學鍵，而是透過靜電作用和氫鍵（非共價鍵）迅速吸收水凝膠層之間的水分，並與水凝膠的聚合物支架纏結在一起，形成多個鍵結。這使得水凝膠之間的黏合力大大超過傳統的水凝膠黏合方法。

首次應用

為了證明他們的新方法具有廣泛的潛力，研究人員把重點放在了非常不同的醫療挑戰上。他們的研究表明，用殼聚醣薄膜改性的韌性黏合劑現在可以輕鬆纏繞在受傷手指等圓柱形物體上，作為自黏繃帶提供更好的傷口護理。由於殼聚醣鍵結水凝膠的含水量高，因此應用這種水凝膠還可以局部冷卻下層人體皮膚，這在未來可能會成為燒傷治療的替代療法。

研究人員還將表面經過殼聚醣薄膜修飾的水凝膠（堅韌的凝膠）無縫地包裹在腸道、肌腱和周圍神經組織上，而不會與組織本身黏合。”這種方法為在手術過程中有效隔離組織提供了可能，否則會形成’纖維粘連’，有時會造成破壞性後果。”Freedman 解釋說：”預防纖維粘連是一項尚未滿足的臨床需求，而商業技術還無法充分滿足這項需求。”

在另一項應用中，他們在一種堅韌的凝膠上鋪設了一層薄薄的殼聚醣薄膜，這種凝膠已經作為傷口密封劑置於受傷的豬主動脈上，以增加繃帶的整體強度，因為繃帶暴露在血管中血液搏動的周期性機械力之下。

“戴夫-穆尼研究小組的這項研究為生物醫學水凝膠設備的工程設計增添了一個新的維度，它可以為再生醫學和外科醫學中尚未解決的緊迫問題提供優雅的解決方案，讓許多病人從中受益，”Wyss 創始董事、醫學博士唐納德-英格伯（Donald Ingber）說，他同時也是哈佛醫學院和波士頓兒童醫院血管生物學朱達-福克曼（Judah Folkman）教授和SEAS 生物啟發工程漢斯約格-威斯（Hansjörg Wyss）教授。

編譯自/ scitechdaily