基于贻贝启发的水下仿生胶黏剂

海洋中的贻贝依靠丝足(Byssus)与足盘(Plaque)可以在潮湿及水下环境中快速而牢固地黏附于各种固体表面。贻贝强健的足部具有沟渠状的生理结构,通过类似于“注塑生产”的生理过程,它们可以生成丝足与足盘。贻贝将液态的蛋白质挤压到沟渠里,只需几秒钟时间,这些蛋白质就能形成一条条发丝一样纤细的丝足。每条丝足的末端都有一个黏性足盘,足盘可以牢牢地黏附在岩石及固体表面。丝足及足盘由多种黏附蛋白(Mfps)组成,且几乎每种黏附蛋白都含有L-3,4-二羟基苯丙氨酸(DOPA)成分。在过去的数十年间,科研人员基本揭示了贻贝黏附蛋白的结构及其黏附机理。DOPA的儿茶酚基团,通过氧化交联、金属螯合、氢键、静电作用、疏水作用、π-π作用、阳离子-π作用等各种共价和非共价相互作用,实现强大的界面黏接。基于贻贝黏附蛋白的结构及其黏附机理,通过使用DOPA及其类似物修饰的聚合物体系,人们得到了多种具有优秀机械性能和功能化的新型仿生多巴类水下胶黏剂。本综述首先介绍了贻贝黏附蛋白的组成特点及其黏附机理;随后分别介绍了凝聚层类胶黏剂、水凝胶类胶黏剂、智能型水下胶黏剂的结构特点及黏附机理;最后讨论了目前仿生水下胶黏剂存在的问题及未来发展前景。     

生物医用功能高分子专辑 前言

正生物医用功能高分子材料广泛用于疾病诊断与治疗、组织器官再生和功能替代、生物体免疫调控、生物安全控制等方面。生物医用功能高分子材料隶属于医疗器械产业。国务院印发的《中国制造2025》明确指出,要大力发展生物医药及高性能医疗器械。随着大健康时代的来临,生物医用功能高分子及产品转化迎来了新的发展机遇,目前该领域的科技产出和人才培养正在逐步提升。基于面向国家发展大健康产业和转变经济发展方式对生物医用高分子材料的重大战略需求,为了展示我国生物医用功能高分子的最新进展,并对其发展前景和趋势进行预测,《功能高分子学报》组织出版了生物医用功能高分子专辑,邀请了国内专注于功能高分子相关生物或医学应用和产品转化的7个研究团队,撰写综述7篇,主要涉及生物医用功能高分子的制备、功能化和表征及其在抗凝血医疗器械、抗氧化体系、药物递送载体、医用膜材料、医用胶黏剂、组织再生支架等领域中的应用。     

含多巴胺的聚柠檬酸酯基组织胶黏剂的制备

通过柠檬酸、1,8-辛二醇和多巴胺的一步熔融缩聚反应,以高碘酸钠(NaIO4)作为氧化交联剂,得到含有多巴胺的组织胶黏剂。探索了制备胶黏剂的最佳反应时间和多巴胺的最佳添加量,并利用凝胶渗透色谱(GPC)、红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(1 H-NMR)、紫外-可见分光光度法(UV-Vis)和黏结强度测试对胶黏剂的结构和性能进行了表征。结果表明:当反应时间为105min,柠檬酸、1,8-辛二醇和多巴胺的投料的物质的量之比为1.1∶1.0∶0.5时,可以得到黏结强度为99.3kPa的组织胶黏剂,达到商品α-氰基丙烯酸酯医用胶强度的40%。     

仿生干湿摩擦黏附器件的研究进展

生物在自然界的演化过程中进化出了许多独特的干湿摩擦、黏附器官来适应其生存环境.研究人员通过对自然界中典型摩擦与黏附现象的研究、认识和总结,提出了相应的仿生界面摩擦、黏附理论与模型,用于指导人工合成型智能摩擦黏附材料与器件.目前,仿生摩擦、黏附材料体系与器件的设计策略主要以表面微结构、界面物理化学相互作用以及机械形变为基...     

含邻苯二酚基团聚合物的研究进展

富含邻苯二酚基团聚合物具有优异的生物相容性、耐水性和粘附性能,被广泛应用于胶黏剂、水凝胶、防污涂层、自修复材料、生物医用材料等领域。 本文概述了含邻苯二酚基团聚合物的研究进展,重点介绍了含邻苯二酚基团聚合物的合成方法、化学结构和性能,以及其应用和前景。     

仿贻贝水凝胶在组织愈合中的应用研究

手术线缝合和订皮钉固定是外科手术中修复组织损伤的常规方法,但是对于相对脆弱的软组织,使用组织粘合剂是代替常规组织修复的重要方法之一.尽管合成的组织粘合剂已经得到广泛应用,但是仍然存在一些缺点,例如湿润环境中粘合性差和潜在毒性等.纤维蛋白胶具有良好的止血性能,但是存在拉伸性和粘附性差、价格昂贵等缺点.仿生粘合剂作为组织粘附剂、止血剂或密封剂在临床手术中应用广泛.然而,在组织创伤的修复应用中,发展耐水粘附、具有生物相容性,多功能一体化的医用粘合剂是近年来研究的热点和难点.自从Messersmith课题组报道了受贻贝启发的多功能聚多巴胺涂层以来,含有酚羟基的材料由于其抗氧化、抗菌消炎等功效,被广泛地应用于医学、食品、化妆品和水处理等领域.仿贻贝水凝胶具有优异的组织粘附性、止血抑菌性、生物安全性和可塑性,是理想的医用粘合剂材料.概述了多酚-合成高分子水凝胶、多酚-生物大分子水凝胶、多酚-无机纳米材料复合水凝胶以及聚多巴胺纳米颗粒复合水凝胶在组织粘附、止血抑菌等方面的研究进展和在组织愈合中的应用探索.总结了多酚水凝胶作为医用组织粘附剂、止血剂、密封剂仍需解决的关键问题,并对此领域的发展趋势进行了...     

仿生天然高分子水凝胶在医用材料方面的应用

天然高分子水凝胶具有高度水合的三维网络结构,显示出独特的粘附性,能有效地控制出血,减少二次感染,且生物相容性和生物降解性好,是一种理想的医用粘合剂材料。近年来,鉴于目前医用粘合剂研发制备中对水下湿粘性以及生物降解性能等要求越来越严格,具有耐水粘附性、生物安全性和形状可控性的新型粘附材料成为研究的热点和难点。自然界生物对各种基质的粘附性主要取决于其组成或结构,利用天然高分子水凝胶材料进行仿生,可以使其兼具优异的组织粘附性、止血抑菌性和形状可控性等特性,是解决上述问题的有效策略。本文概述了两种类型的仿生天然高分子水凝胶材料粘附机制,针对性地讨论了贻贝、藤壶、牡蛎的组成特性和咸水鱼、细胞外基质(extracellular matrix)的结构特点以及粘附机理,并介绍了相应仿生天然高分子水凝胶材料在组织愈合、伤口止血及药物递送方面的研究进展。最后,对仿生天然高分子水凝胶在未来的发展方向进行展望并为其提供相应的建议。     

木质素活化改性制备酚醛树脂胶黏剂研究进展

木质素由于化学结构与苯酚相似,通过活化改性可部分替代苯酚制备木质素改性酚醛树脂胶黏剂。既可降低成本、达到生物质资源高效利用的目的,并且制备的木质素改性酚醛树脂胶黏剂有毒残余较低,具有环保意义,是合成制备生物质高分子材料的重要途径。本文综述了国内外研究人员在木质素活化改性制备酚醛树脂胶黏剂研究领域的最新进展,重点介绍了化学改性、物理改性、生物改性等木质素活化改性方法,比较了不同改性产物制备酚醛树脂胶黏剂的性能,并对影响木质素活化改性制备酚醛树脂胶黏剂实现工业化应用的主要因素进行了分析。     

有机蒙脱土改性脲醛树脂胶黏剂的制备及结构表征

采用"碱-酸-碱"合成工艺,在各阶段将OMMT(有机蒙脱土)投入反应体系,制备有机蒙脱土改性脲醛树脂胶黏剂,测试胶黏剂的各项性能,用XRD(X射线衍射仪)、FTIR(傅里叶变换红外光谱)、SEM(扫描电镜)、TG(热重分析)对改性胶黏剂结构进行表征.实验结果表明,随着OMMT的加入,胶黏剂的游离甲醛含量降低,胶合强度增加.第一阶段投入OMMT,降醛效果明显,第二阶段投入OMMT,补强效果明显.SEM图显示,改性胶黏剂中被剥离成片层状的OMMT因受基体的包覆或挤压,呈现出蜷曲的形状;XRD图谱显示,OMMT/UF胶黏剂的结晶度低于UF胶黏剂的结晶度,有机蒙脱土的加入,破坏了脲醛树脂中羰基和氨基的规整性排列;FTIR图谱表明,改性脲醛树脂胶黏剂中存在大量游离的尿素,胶黏剂的游离甲醛含量低;TG分析得出,改性胶黏剂的TG曲线移向高温方向,材料的热分解温度提高.     

超疏水表面黏附性的研究进展

结合作者课题组的相关工作,简要地论述了超疏水表面固液黏附性的主要影响因素和评价标准,介绍了天然和人工仿生具有特殊黏附性超疏水表面的研究进展,包括超疏水高黏附表面、超疏水低黏附表面、可控黏附性超疏水表面、各向异性黏滞力超疏水表面、黏滞力响应性智能超疏水表面以及超亲/超疏水图案表面制备及运用.特别介绍了作者研究小组在仿生可控黏滞力超疏表面制备以及超亲/超疏水图案表面运用的研究.最后对具有特殊黏附性超疏表面的研究进行总结和展望.     

仿生微纳米纤维黏附材料

自然界中功能与结构相统一的生物材料是人类社会创新的灵感源泉。在众多具有优异性能的生物材料中,具有特殊黏附性能的生物微纳米纤维一直是仿生研究领域的热点之一。生物微纳米纤维黏附现象是自然界中存在的一类奇特的现象,众多具有特殊黏附性质和功能的生物微纳米纤维材料在生物运动、防御和猎物捕获等方面都具有重要的作用。生物微纳米纤维黏附主要包括纤维尖端的黏附和表面的黏附,如壁虎脚刚毛尖端的黏附和蜘蛛丝表面的黏附。研究表明生物微纳米纤维黏附作用主要来源于其特殊的微纳米结构和表面性质。受自然界中具有特殊黏附性能的生物微纳米纤维启发,人们设计和开发了众多性能优异的仿生微纳米纤维黏附材料。微纳米纤维黏附材料在干态粘胶、高效集水和空气过滤等领域都具有重要的应用价值。本文综述了壁虎脚刚毛、蜘蛛丝等生物微纳米纤维的黏附机理及其相应仿生材料的研究进展,并对该领域未来的发展方向作了展望。     

材料表面性质调控细胞黏附

生物医用材料旨在通过调控材料和细胞之间的相互作用来实现组织的再生和修复。黏附过程直接决定了细胞是否能够充分发挥生物学性能,因此通过对材料表面的物理和化学改性来调控细胞黏附,对于生物材料具有至关重要的意义,也是非常活跃的研究热点。材料表面物理改性通常通过对包括表面粗糙度、形貌、模量和多孔结构等物理性质的调控,为细胞构建适合黏附的材料表面。而化学改性则借助于表面电荷及亲疏水性调控、促黏分子修饰等化学手段来提高材料表面与细胞间的相互作用力,进而促进细胞黏附。近年来,材料表面调控细胞黏附的研究取得了许多新的突破性进展。例如在传统的促黏分子表面修饰之外,人们逐步发现对促黏分子序构的精准调控也可以有效地提高材料表面的促黏性能。而刺激响应性表面则可以根据外界信号的刺激,使得材料表面在促黏和抗黏之间实现智能的转换。本文从物理改性、化学修饰、刺激响应性表面构建等角度出发,全面总结和讨论了材料表面性质对细胞黏附的调控作用,梳理了材料表面的设计思路,多种材料表面的修饰改性方法等最新进展,并展望了未来材料表面对细胞黏附的调控思路。     

表面抗菌功能涂层的构建及在生物医用材料中的应用研究

近年来,生物医用材料在使用过程中产生的医源性感染问题层出不穷,对人们健康和生命造成严重威胁.表面抗菌涂层构建是解决该类医源性感染问题最有效的策略之一.目前,按照作用机制和功能不同将表面抗菌涂层分为接触式抗菌涂层、抗黏附抑菌涂层、抗黏附杀菌涂层以及智能抗菌涂层.表面抗菌涂层的构建不仅赋予了生物医用材料抗菌性能,有效解决了上述医源性感染问题,还可以提高材料的生物相容性,赋予其抗黏附、抗氧化、生物识别、传感等功能.本文旨在对目前表面抗菌涂层的种类、构建方法以及其在生物医用材料领域中的应用做一全面论述,为进一步开发高性能表面抗菌涂层并扩展其应用提供新思路.     

分子动力学模拟多巴在自组装膜上的黏附性

为了更好地理解贻贝在表面的黏附机理,实现水下胶黏,采用分子动力学方法研究了多巴在自组装膜上的黏附性:采用伞形取样和加权柱状图分析方法计算了多巴在不同自组装膜表面的黏附自由能,使用拉伸分子动力学模拟研究了多巴在不同自组装膜表面上黏附后的脱附力.结果表明,多巴在带负电的羧基自组装膜上的黏附能比在带正电的氨基自组装膜上的大,多巴更容易黏附到带负电表面;多巴在带电表面的黏附能比未带电表面的黏附能更强,表明在带电表面黏附更稳定.进一步分析了多巴在不同表面的取向分布,发现多巴与不同表面相互作用的方式不同:与疏水表面主要通过苯环相互作用;与亲水表面主要通过羟基相互作用;与负电表面主要通过氨基相互作用;与正电表面主要通过羧基相互作用.通过模拟比较了多巴在不同自组装膜上的脱附力,发现多巴在带电表面的脱附力比在未带电表面的大,与黏附能的趋势一致.对比4种非带电表面的脱附力,发现多巴在疏水性甲基自组装膜表面的脱附力最大,黏附更稳定,随着表面疏水性的增加,脱附力增大,黏附稳定性增强.本工作可为研发新型水下胶黏剂提供理论指导.     

前言

生物医用功能高分子材料广泛用于疾病诊断与治疗、组织器官再生和功能替代、生物体免疫调控、生物安全控制等方面.生物医用功能高分子材料隶属于医疗器械产业.国务院印发的《中国制造2025》明确指出,要大力发展生物医药及高性能医疗器械.随着大健康时代的来临,生物医用功能高分子及产品转化迎来了新的发展机遇,目前该领域的科技产出和人...     

聚合物晶胶的制备、性能及生物医学应用

利用低温凝胶化技术制备的聚合物晶胶,具有贯通多孔结构,因其化学/机械稳定性,可用于生物微粒（质粒、病毒、细胞器）和细胞的分离、生物分子和细胞的固定化载体以及组织工程三维支架等领域。本文详细介绍了聚合物晶胶的制备条件（如单体浓度、冷冻过程、引发剂浓度、溶剂等）与其结构、性能的关系;同时,对聚合物晶胶功能化改性及其在生物物质的色谱分离和生物医学领域的应用进行了总结与展望。     

贻贝黏附蛋白启发的甲壳素纳米晶须增强湿态黏附水凝胶的研究

报道了一种力学性能优良,湿态生物组织黏附能高的黏附水凝胶.该凝胶由丙烯酸、甲基丙烯酸羟乙酯和3-三烯十五烷基-1,2-邻苯二酚共聚,与壳聚糖复合、并由甲壳素纳米晶须增强而成.该凝胶网络含有可逆和不可逆交联作用.其中可逆物理作用包括阴阳离子聚电解质静电吸引、烷基链疏水缔合、苯环π-π堆积、阳离子-π、氢键和拓扑纠缠.由这些物理键形成的次级网络的可逆形成/破坏为水凝胶形变提供了能量耗散,从而提升了其断裂韧性.另一方面,水凝胶的快速吸水能力破坏了湿润基体表面的水合层,使凝胶表面基团能与组织表面形成物理键和化学键的界面相互作用,从而共同促进水凝胶与湿态组织的强韧黏附.水凝胶的断裂强度可达276.4 kPa,对湿润猪皮的界面黏附韧性可达831 J/m²,在水下对猪皮的界面黏附韧性约达236 J/m²,猪皮和猪肝伤口闭合强度分别可达26.2和16.5 kPa.该黏附凝胶适合作为免缝合的伤口闭合黏胶材料.     

邻苯二酚基团改性壳聚糖组织胶黏剂的制备和表征

分别通过1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐/N-羟基丁二酰亚胺(EDC/NHS)偶联反应和席夫碱-还原反应,并以高碘酸钠(NaIO4)为氧化交联剂,得到2种邻苯二酚接枝改性的壳聚糖基水凝胶组织胶黏剂(CHI-C和CCS)。利用红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(~1 H-NMR)、抗菌实验和黏结强度测试对壳聚糖衍生物的结构和性能进行了表征。探讨了胶黏剂配比对其成胶性能和黏结强度的影响。结果表明:此种胶黏剂的成胶时间短,邻苯二酚基团和NaIO4含量的增加均有利于凝胶形成,CHI-C的最大黏结强度为40.42kPa,CCS的最大黏结强度为15.68kPa。两种壳聚糖衍生物均具有优良的抑菌性能。     

硫酸软骨素类可注射水凝胶体系及其凝胶化机制

硫酸软骨素是一种硫酸化糖胺聚糖类天然多糖,广泛分布于动物组织的细胞外基质和细胞表面,具有促进软骨生长、调控生长因子、加快伤口愈合等多种生物功能.近年来,基于硫酸软骨素良好的生物活性、生物相容性和生物降解性,硫酸软骨素类可注射水凝胶作为一种新型生物材料受到了广泛关注,尤其是在组织工程、药物输送和细胞治疗等生物医用领域的应...     

仿壁虎和贻贝黏附材料

自然界中的动物和植物经过45亿年长期的进化使其结构与功能达到近乎完美的程度,实现了结构与功能的统一。黏附材料在生物医学、建筑等领域都具有重要的应用价值。受自然界中具有优异黏附特性的生物材料启发(如壁虎、贻贝等),国内外许多课题组相继开展了仿生黏附材料的研究。根据黏附机理的不同,黏附材料大致可分为可逆黏附和永久黏附两大类。壁虎的可逆黏附是基于其脚趾多尺度微纳结构与接触面间的范德华力,贻贝的永久黏附则源自其分泌的黏附蛋白。本文就壁虎、贻贝及其他生物黏附材料的黏附机理及其相应仿生黏附材料的国内外研究现状进行简要的综述,并对该领域未来的发展方向作了展望。