生物組織通常具有不同的機械和表面性質，這些不同的性質使得橋接工程材料和生物組織變得非常困難，因為缺乏大范圍調控生物-材料界面性質的通用方法。然而，精確調控生物-材料之間的界面性質（例如：材料在不同生物組織上的模量和粘附）需要克服多種內部以及外部的阻礙。納米顆粒用于橋接生物組織和聚合物已在臨床實踐中展現(xiàn)出潛力（Angew. Chem. Int. Ed.，2014, 53, 6369），但它們依賴于不可控的擴散將生物組織與聚合物進行連接，導致了不確定的生物粘附性質。
在活體應用中，精確調控生物-材料之間的界面性質是十分必要的，因為精確調控的界面性質可以將材料適配于不同的生物組織，從而有助于精確的醫(yī)學治療。一種有效的調控策略是采用外加系統(tǒng)來引導錨定劑以提供足夠的外源驅動力。其中，新興的高功率超聲波技術通過壓力梯度驅動錨定劑在生物組織表面進行錨定，這項技術通過物理方法同時實現(xiàn)了水凝膠貼片在生物組織上的高粘附能和高界面疲勞閾值（Science, 2022, 377, 751）。然而，使用接觸式的超聲探頭可能會引起身體不適，并且不適用于在脆弱部位（如病變區(qū)域）和深層組織表面激活粘附。目前，界面粘附技術還未實現(xiàn)可按需且可全面調控生物-材料界面的性質。
近期，香港中文大學機械與自動化工程學系侯昌順博士和張立教授共同在Nature Communications期刊以Magnetic nanostickers for active control of interface-enhanced selective bioadhesion為題報道了一種新型的磁控粘附技術。該技術通過外加的旋轉磁場可在時間和空間尺度內遠程操控錨定劑，從而對生物組織上的界面性質進行遠程調控。
圖 1：精確控制磁性納米貼紙用以增強生物界面粘附
如圖1所示，在外加旋轉磁場的引導下，磁性納米貼紙可跨越生物屏障（例如：生物流體）在生物組織表面進行錨定，從而提高水凝膠貼片在生物組織上的粘附能力。通過精確控制磁性納米貼紙的面積密度（單位面積上的質量），可在不同的生物組織表面實現(xiàn)精確可調的生物粘附性質。
圖2：磁性納米貼紙實現(xiàn)可調節(jié)的生物粘附性能
通過搭接-剪切以及180°剝離測試，相比于無磁性納米貼紙的粘附性能，磁性納米貼紙橋接的水凝膠貼片和生物組織展現(xiàn)了極高的粘附性能。2 mg（面積密度：4 μg/mm2）的磁性納米貼紙便可實現(xiàn)187 KPa的剪切強度和1250 J m-2的粘附能。每毫克磁性納米貼紙產生的粘附能約為 625 J m-2 mg-1，遠高于過去報道的基于納米顆粒的生物粘附性能。同時，磁性納米貼紙在生物組織上的界面疲勞閾值約為50 J m-2，甚至高于傳統(tǒng)的共價鍵的界面疲勞閾值（~25 J m-2）。
圖 3：磁性納米貼紙的運動和錨定機制
為了探究磁性納米貼紙的運動和錨定機制，作者采用了模擬結合實驗的方法，詳細驗證了磁性納米貼紙在Z軸梯度方向朝生物組織表面進行強力推進；同時，磁性納米貼紙會在XY平面內進行旋轉并組裝成不同形態(tài)的聚集體，從而極大地提高了生物界面的內聚強度。另外，通過調控磁場參數（例如：旋轉頻率，磁通量密度，和磁控時間），實現(xiàn)了精確可控的生物粘附性能。
圖4：磁性納米貼紙在不同組織上的生物粘附應用
由于可遠程引導磁性納米貼紙在不同生物組織上進行按需粘附，圖4展示了磁性納米貼紙在不同場景中的應用能力。磁性納米貼紙橋接的水凝膠貼片可以穩(wěn)定地粘附于各種生物組織表面。同時，由于制備磁性納米貼紙的主要成分是為FDA所批準的成分，因此該磁性納米貼紙表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性，不會對生物細胞產生抑制作用。
圖5：磁控生物粘附輔助疾病治療
作者進一步展示了磁性納米貼紙在活體動物外科手術中的應用。通過構造大鼠腸道損傷模型，驗證了磁性納米貼紙可為外科手術的術后治療提供有效的幫助。在手術縫合腸道后，極少量的磁性納米貼紙便可長期粘附負載抗生素的水凝膠貼片，并且這種精確控制的粘附性能不會使得粘附過強導致腸道狹窄，同時又可以很好的粘附于病變區(qū)域進行保護從而降低并發(fā)癥（例如：組織粘連）發(fā)生的風險。
總結而言，香港中文大學機械與自動化工程學系侯昌順博士和張立教授共同開發(fā)了一種通過遠程智能操控磁性納米貼紙在不同生物組織上實現(xiàn)界面增強的策略。通過設定精確的磁性納米貼紙用量和磁場參數，可以顯著提高并精確控制生物粘附性能。相較于其他的界面粘附策略，遠程磁場在時間和空間尺度的錨定展現(xiàn)了諸多優(yōu)勢，這種磁控策略尤其適用于脆弱部位（如病變區(qū)域）和深層組織上的粘附應用。
這項研究得到香港創(chuàng)新科技署（ITC）、香港研究資助局（RGC）、創(chuàng)新香港研發(fā)平臺（InnoHK）的醫(yī)療機器人創(chuàng)新技術中心（MRC）、香港中文大學-中國科學院深圳先進技術研究院機器人與智能系統(tǒng)聯(lián)合實驗室、香港中文大學李嘉誠健康科學研究所的支持。該研究也得到了香港中文大學陳啟楓教授和香港城市大學宋昕教授的大力合作和幫助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61719-9
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