上海交大蔣欣泉教授、復(fù)旦李卓教授 AFM: 生物啟發(fā)Janus通用粘接貼片 - 彌合軟組織和醫(yī)用器械界面

2025-02-15 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：生物啟發(fā) Janus 粘接貼片彌合軟組織醫(yī)用器械界面

近期，上海交通大學(xué)蔣欣泉教授與復(fù)旦大學(xué)李卓教授合作開(kāi)發(fā)了一種通用的Janus雙層粘附貼片，能夠?qū)崿F(xiàn)即刻連接軟組織與醫(yī)用器械界面。醫(yī)療設(shè)備需要與人體組織安全且牢固地結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)臨床檢測(cè)和干預(yù)。然而，軟組織與設(shè)備之間的界面不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生間隙，造成固位差和感染風(fēng)險(xiǎn)高。封閉這些間隙的難題在于軟組織與醫(yī)療設(shè)備在表面能和機(jī)械性能方面存在差異。受牙齒軟組織天然雙層不對(duì)稱粘附密封結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，該工作開(kāi)發(fā)了一種雙層結(jié)構(gòu)的Janus粘合貼片。如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)由兩層功能性材料組成：一層是具有可調(diào)節(jié)剛度和粘性的半結(jié)晶彈性體層（丙烯酸十六酯聚合物，HA層），另一層是確保與組織牢固粘附的水凝膠層（聚丙烯酸水凝膠，PA層）。在植入前，HA層保持高模量且不具粘性，便于操作和精確定位。一旦植入，體溫會(huì)促使其內(nèi)部結(jié)晶區(qū)域熔化，使材料變得柔軟，從而降低模量并增強(qiáng)其與各種設(shè)備材料的貼合性。另一方面，PA水凝膠層能夠吸收水分，并通過(guò)化學(xué)鍵合增強(qiáng)與濕潤(rùn)軟組織的粘合，實(shí)現(xiàn)有效的界面密封。這兩層之間的相互滲透和交聯(lián)結(jié)構(gòu)可防止在潮濕環(huán)境下發(fā)生分層或過(guò)度膨脹，從而提升粘合貼片的整體性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這種通用的密封和黏附效果已在多種模擬臨床情境中得到驗(yàn)證，包括義齒固位、引流管固定以及種植體周圍炎的預(yù)防。因此，用于臨時(shí)即刻軟組織與器械整合的 Janus HAPA 粘附貼片在廣泛的臨床應(yīng)用中展現(xiàn)出良好的潛力。

該工作以“Bio-inspired Janus Universal Adhesive Patch: Bridging the Contrasting Interface of Soft Tissues and Medical Devices”為題發(fā)表在《Adv. Funct. Mater.》上。文章第一作者是上海交通大學(xué)顏然博士。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。

圖1 由結(jié)合上皮啟發(fā)設(shè)計(jì)的具有雙側(cè)非對(duì)稱粘附機(jī)制的Janus HAPA貼片，用于軟組織-器件接口集成。

論文的主要研究?jī)?nèi)容為：

1.利用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兼具疏水性和親水性粘附層：本研究創(chuàng)新性地構(gòu)建了HAPA貼片的雙層結(jié)構(gòu)，包括HA疏水性粘附層和丙烯酸水凝膠親水性粘附層。利用HA層的相變特點(diǎn)，將PA預(yù)交聯(lián)液加載至低交聯(lián)度HA層表面并通過(guò)紫外共固化技術(shù)將其整合為一體。該設(shè)計(jì)確保了貼片在不同使用階段均能保持穩(wěn)定，避免層間分離，同時(shí)賦予材料優(yōu)異的粘附性能和針對(duì)不規(guī)則表面環(huán)境的適應(yīng)性。

圖2 HAPA貼片的HA層和PA層層間結(jié)合（A）和界面韌性比較（B）。

2.通過(guò)溫度響應(yīng)性可控，實(shí)現(xiàn)手術(shù)操作便捷性與應(yīng)用效果的優(yōu)化：通過(guò)精確調(diào)控HA的相變溫度，使HAPA貼片在植入前處于硬質(zhì)、非粘性狀態(tài)，便于操作和定位，而在植入后能迅速響應(yīng)體溫轉(zhuǎn)變?yōu)槿彳�、粘性狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)即時(shí)封閉和粘附。這種溫度可調(diào)控的粘附策略提升了醫(yī)療器械在軟組織界面的固定可靠性。

圖3 HAPA貼片體溫調(diào)控模量和粘附性能。（A）存儲(chǔ)模量隨DMA測(cè)量溫度的變化。（B） 25℃和37℃下HA聚合物和HAPA貼片的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（C）HAPA貼片在25℃或37℃時(shí)粘附不規(guī)則表面。

3.廣泛適用于軟組織-醫(yī)用器械界面的即刻固位封閉：為進(jìn)一步驗(yàn)證HAPA貼片的使用效果，該研究從單純界面固位模型（義齒基托固位）至經(jīng)皮器械界面封閉預(yù)防感染（經(jīng)皮導(dǎo)管管周固定封閉模型）再至經(jīng)粘膜器械界面載藥封閉抗感染模型（種植體基臺(tái)軟組織封閉），多個(gè)模擬臨床場(chǎng)景的動(dòng)物模型中進(jìn)行驗(yàn)證，HAPA貼片均展現(xiàn)出優(yōu)異的粘附效果、密封性及生物相容性。這種即刻的固定封閉方式有效降低了感染風(fēng)險(xiǎn)，提高了醫(yī)療器械的穩(wěn)定性和安全性，具有廣泛的臨床應(yīng)用價(jià)值。

圖4 HAPA貼片在動(dòng)物模型的應(yīng)用。（A）義齒基托固位。（B）導(dǎo)管周封閉。（C）種植體基臺(tái)周封閉。

該工作是蔣欣泉教授團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于軟組織封閉的最新進(jìn)展之一。為了促進(jìn)軟組織修復(fù)及界面整合，團(tuán)隊(duì)制備了一系列的創(chuàng)新材料和技術(shù)，以提高軟組織修復(fù)效果并優(yōu)化修復(fù)過(guò)程中的細(xì)胞相容性和生物功能（Adv. Mater. 2024, 2413028；Adv Mater. 2021;33(48):e2105667；Biomaterials. 2016;83:207-218.）。這些研究成果不僅對(duì)口腔頜面部的臨床治療具有重要意義，也為其他類型的軟組織損傷修復(fù)提供了新的思路。同時(shí)，該研究也是復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系李卓教授團(tuán)隊(duì)在生物器件在生物體表面粘附方面的最新探索。前期，團(tuán)隊(duì)提出了基于雙嵌段共聚物刷的粘合偶聯(lián)劑（Adv. Funct. Mater. 2025, 2423298）、梯度固化的壓敏膠（Sci Transl Med. 2023,15(693):eabq1634）、高黏附性雙網(wǎng)絡(luò)硅膠導(dǎo)電復(fù)合材料（Chem. Eng. J., 2023, 451:138730）等一系列粘附策略。本項(xiàng)研究展示了臨床醫(yī)學(xué)與工程設(shè)計(jì)相互交叉結(jié)合的巨大潛力。通過(guò)跨學(xué)科合作，蔣欣泉教授團(tuán)隊(duì)不僅從醫(yī)學(xué)的角度深入研究軟組織的生物學(xué)修復(fù)機(jī)制，還借助材料科學(xué)和工程技術(shù)的先進(jìn)成果，推動(dòng)了軟組織修復(fù)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。該研究不僅為臨床治療提供了更為精確和高效的方案，也為相關(guān)領(lǐng)域的科研人員提供了新的思路和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202422130

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（責(zé)任編輯：xu）

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