生物黏合水凝膠研究進展

林柏仲， 趙 麗， 王宏偉， 朱浩鵬， 蓋廣清， 王立艷， 丁建勛

（1. 吉林建筑大學材料科學與工程學院，建筑節能技術工程實驗室，長春 130118；2. 中國科學院長春應用化學研究所，生態環境高分子材料重點實驗室，長春 130022）

近年來，內臟器官、皮膚、結締組織、肌肉等創傷處的出血控制和傷口愈合成為研究的熱點[1-3]。縫合是出血控制和傷口閉合的首選途徑，但手術縫合帶來的周圍組織損傷以及較高的手術技能需求限制了其應用。生物黏合劑用于軟組織修復可縮短手術時間并減少對軟組織的損傷，有望取代傳統縫合線、鉚釘、器械縫合傷口的處理方式[4]。因此，生物黏合劑克服縫合缺陷并促進傷口愈合成為研究熱點。

生物黏合劑是具有高度黏合力和一定生物相容性的凝膠或貼劑，可替代傳統手術線縫合的傷口閉合器械并具有促進傷口愈合的功效[3,5,6]。水凝膠是天然或合成高分子的水合三維（3D）網絡，因其與生物組織的相似性被廣泛應用于生物醫用領域。其中，溫敏性水凝膠、化學交聯水凝膠、酶催化水凝膠等由于其獨特且可調節的性能使其在生物醫用材料領域得到廣泛應用。本課題組制備了一系列原位可注射水凝膠，并在抗腫瘤治療[7-9]、生物黏附[10,11]、藥物遞送[12]、創面愈合[13]以及軟骨組織工程[14-18]等領域具有較好的應用前景。目前，水凝膠的功能性，如黏合性、韌性、自愈性等也成為研究熱點[19,20]。傳統水凝膠在固體表面滑動摩擦系數較低，黏合性能差。此外，系統中存在的大量水與水凝膠中官能團產生的氫鍵相互作用進一步削弱了水凝膠的黏合強度，限制了水凝膠基黏合劑的開發應用[21]。

隨著研究人員的不斷努力，生物黏合水凝膠取得了較好的進展，但由于各種基底表面對水凝膠的黏合要求不同，導致難以構建用于各種用途的通用黏合劑。生物黏合水凝膠的改性研究除了應滿足安全性高、成本低、可用性強、生物相容性好等要求外，還應以理想生物黏合水凝膠的特性為標準來提高水凝膠基黏合劑的綜合性能。理想的生物黏合水凝膠應具有以下特性：（1）較強的組織黏合性、止血性能和組織愈合特性；（2）在整個愈合過程中保持所需要的力學性能；（3）流動特性，能準確地應用于所需區域；（4）在生理條件下快速固化，盡量減少出血和縮短手術時間；（5）在規定的時間內降解和吸收；（6）安全、無毒、良好的生物相容性且易于制備；（7）價格低廉且在臨床中操作方便。

雖然能夠滿足以上理想特性的生物黏合水凝膠尚未出現，但生物黏合水凝膠仍取得了快速發展。生物黏合水凝膠的黏合力來源于原位水凝膠形成過程中高分子中活性基團與生物組織中活性基團的相互反應，或與被黏物表面間的物理或化學相互作用。目前對于生物黏合劑的綜述多聚焦于單方面研究[22-26]，并沒有全面歸納生物黏合水凝膠的制備方法和黏合機理，缺乏對生物黏合水凝膠整體研發趨勢分析。依據不同的制備方法和黏合機理，如圖1所示，生物黏合水凝膠可以分為化學交聯水凝膠、物理交聯水凝膠、化學和物理協同交聯水凝膠，以及生物和生化結合水凝膠。本文對生物黏合水凝膠的制備方法進行了闡述，并詳細討論了每種水凝膠的黏合機理，對生物黏合水凝膠的醫學應用也進行了介紹。

圖 1 生物黏合水凝膠的制備及應用Fig. 1 Preparation and applications of bioadhesive hydrogels

1 生物黏合水凝膠的制備及黏合機理

1.1 化學交聯水凝膠

生物黏合水凝膠因其優異的黏合性能已作為黏合劑應用于臨床，目前大多數生物黏合水凝膠的黏合機制是水凝膠和生物組織表面上不同官能團之間的化學結合[27]。化學交聯水凝膠可通過醛基和氨基反應形成席夫堿和多個交聯點而得到，并且水凝膠中多余的醛基可以進一步與生物組織中的氨基共價結合，從而顯示出對活組織的高黏合強度[28-33]。本課題組[13]通過羧甲基殼聚糖的氨基和氧化右旋糖酐的醛基原位發生席夫堿反應，制備了原位可注射黏性水凝膠。對大鼠進行燒傷創面后原位注入該水凝膠，可促進細胞黏附，使上皮細胞遷移到傷口區域促進皮膚再生。Ye 等[32]將側基帶有兒茶酚的ε-聚賴氨酸與氧化葡聚糖通過席夫堿原位形成黏性水凝膠。體系中的氨基和醛基反應生成的席夫堿提供了水凝膠的內聚力，部分兒茶酚隨時間氧化產生的多巴醌和組織表面氨基之間的席夫堿也提供了界面黏合力。使用豬皮進行黏合性能測試的結果表明，兒茶酚基團和席夫堿共價交聯的綜合作用使該黏合水凝膠具有更高的黏合強度。Yan 等[34]將多巴胺（DOPA）修飾到醛改性的藻酸鹽（ALG）骨架形成雙功能化ALG，通過酰肼改性聚（L-谷氨酸）和雙功能化ALG 的席夫堿反應制備了可注射生物黏合水凝膠（PGA/ALG-CHO）（圖2）。剪切黏附實驗表明隨著兒茶酚接枝率的提高，該水凝膠的黏合強度可達到（21.8 ± 3.1） kPa。采用原位形成的PGA/ALG-CHO 兒茶酚水凝膠，可將兩段豬骨或豬腎緊密黏接，表明該水凝膠可以錨定在各種組織表面的多肽和蛋白質上。此外，大鼠肝出血模型中應用該水凝膠后，由于通過席夫堿得到的PGA/ALG-CHO 水凝膠凝膠化快速，兒茶酚基團與組織之間的氫鍵和π-π 堆積等多種相互作用形成水凝膠的網絡屏障，使大鼠肝失血得到快速控制。Yu等[33]也通過狄爾斯-阿爾德和酰腙鍵反應制備了雙交聯網絡生物黏合水凝膠，該水凝膠也具有很好的組織黏合性能。

圖 2 可注射生物黏合水凝膠PGA/ALG-CHO 的制備及性能分析[34]：（a）可注射生物黏合水凝膠PGA/ALG-CHO 的合成機理示意圖；（b）用不同兒茶酚接枝率制備PGA/ALG-CHO 水凝膠的黏合強度；（c）通過使用原位形成的PGA/ALG-CHOcatechol 水凝膠可以緊密膠合兩片豬骨或豬腎Fig. 2 Preparation and property analysis of injectable adhesive hydrogels PGA/ALG-CHO[34]:（a）Schematic illustration for preparation of PGA/ALG-CHO adhesive injectable hydrogels;（b）Adhesive strength of PGA/ALG-CHO hydrogels with different catechol grafting ratios;（c）Two pieces of porcine bones or porcine kidneys could be tightly glued by using the in situ formed PGA/ALG-CHO-catechol hydrogels

除了基于席夫堿的原位生物黏合水凝膠外，酶介導的原位交聯水凝膠研究也取得了較大進展。酶介導的生物黏合水凝膠具有力學性能可調、快速凝膠化和低毒特性，溫和的交聯條件也使其作為黏合劑在組織工程中受到廣泛關注。本課題組[35]設計了雙端酪胺修飾的聚乙二醇（PEG），并在辣根過氧化酶（HRP）和過氧化氫（H2O2）存在下形成酶交聯水凝膠，闡明了線性聚合物凝膠化的酶催化反應機理。該凝膠化通過HRP 催化的H2O2的氧化反應消耗酚類化合物，如酪胺中的活性氫生成聚多酚來實現。Lee 等[36]從酶催化苯酚類化合物的聚合出發，通過將羥基苯基丙酸和酪胺與明膠骨架結合，制備了一系列具有不同酚含量的明膠衍生物，并考察了明膠衍生物的成凝膠行為和水凝膠性能。通過改變HRP 和H2O2的濃度可調控水凝膠的成凝膠時間。明膠衍生物在HRP 和H2O2的存在下發生酶催化反應，使明膠衍生物中的苯酚基團相互反應形成寡聚體，足夠多的寡聚體作為交聯點即可形成水凝膠。HRP 濃度的增加降低了明膠-羥基苯基丙酸和明膠-羥基苯基丙酸-酪胺的凝膠化時間，證實酚基明膠水凝膠的交聯速率可通過H2O2和HRP 濃度進行調控。對玻璃表面與水凝膠間的黏合性能測試表明，該酶催化交聯水凝膠的黏合強度可以由H2O2濃度來調控。該水凝膠具有較好的黏合強度，其黏合強度是纖維蛋白黏合劑的2～3 倍，可用于常規組織黏合劑的替代物。Hou 等[37]在HRP 和H2O2存在下，實現了ALG-DOPA 水凝膠的原位凝膠化。水凝膠的黏合力隨著HRP 和H2O2濃度的增加而增加。較高的HRP 和H2O2濃度使水凝膠的交聯密度增加，而交聯密度高的凝膠網絡可以提供更強的黏合相互作用。但進一步增加H2O2濃度時，過多的交聯可能降低高分子的潤濕性從而使水凝膠的黏附性能降低。此外，酚基功能化的水溶性高分子也可通過酶促交聯反應形成原位水凝膠。Wang 等[38]在HRP 和H2O2存在下制備了ε-聚賴氨酸黏合水凝膠。酶催化交聯水凝膠用于黏合劑，因其酶促反應條件溫和、原位凝膠化可控，以及黏合強度、力學性質和降解時間可調等特性，在外科手術止血和組織黏接等醫療領域中具有較大應用潛力。

近年來，自由基聚合水凝膠由于固化速率快和可控聚合等優勢引起廣泛關注，其在可見光或紫外光（UV）照射下可實現體內或體外光聚合得到光敏生物黏合水凝膠，且可通過改變單體濃度、光引發劑濃度、光強度和照射時間等調控凝膠性能[39,40]。葡聚糖（DEX）中存在著大量羥基側基，可通過化學修飾形成水凝膠，被廣泛應用于組織黏合劑和組織工程領域[41-43]。Wang 等[39]采用光聚合生物材料甲基丙烯酸2-羥乙酯（HEMA）和氨基甲酸酯葡聚糖（DEX-U），通過紫外輻射交聯得到生物黏合水凝膠（DEX-H）。當高分子溶液暴露在低功率UV 下時，由于聚合前HEMA 易于滲透進入明膠表面的凹槽形成機械互鎖，同時多官能團的DEX-U 提供了內聚力，導致DEX-H 的黏合性能優于市售纖維蛋白黏合劑。甲基丙烯酸甲酯修飾的明膠（GelMA）可通過光引發自由基聚合以共價交聯形成水凝膠，由于其良好的生物學特性和可調的物理特性已被廣泛用于各種生物醫學領域。Annabi 等[44]為了避免紫外光照射造成潛在的DNA 和組織損傷，采用細胞外基質（ECM）衍生物GelMA 和甲基丙烯酰取代重組人原彈性蛋白（MeTro）通過可見光交聯制備了MeTro/GelMA 生物黏合水凝膠。這種可見光活化光引發劑制備的生物黏合水凝膠避免了采用UV 光帶來的生物安全問題。此外，相對于UV 光介導的生物黏合水凝膠，可見光介導MeTro/GelMA 生物黏合水凝膠的力學性能更優。MeTro/GelMA 水凝膠的黏合性能可依據實際使用生理環境進行微調且與高分子濃度有關，其黏合強度隨著水凝膠中GelMA 比例的增加而增大，可達（57.26 ± 5.68） kPa，遠高于市售組織黏合劑的黏合強度。如此高的黏合強度可歸因于水凝膠與組織的機械互鎖、交聯過程中產生的自由基間的共價鍵合以及水凝膠基質中游離羥基的氫鍵相互作用。

多數生物黏合水凝膠由大分子和一種或多種小分子組成，大分子作為主要骨架結構提供力學性能，而小分子通常作為交聯劑與大分子反應提供黏合水凝膠的內聚強度。適當選擇交聯劑可以增加水凝膠的黏度并使其與天然組織緊密連接。Nie 等[45]將馬來酰亞胺基團引入到ε-聚賴氨酸上得到氨基化多肽交聯劑（EPLM），硫醇修飾的殼聚糖（CSS）通過EPLM 快速原位交聯形成水凝膠。該水凝膠內部的三維網絡結構來源于大分子上的羥基和硫醇基團與EPLM 上氨基間的共價鍵合。同時，離子相互作用以及氫鍵相互作用也增強了水凝膠內部的鍵合力。此外，該生物黏合水凝膠的黏合強度是商業纖維蛋白膠的4 倍，這是由于EPLM 上的陽離子基團增強了明膠和水凝膠間的黏合作用。Strehin 等[46]采用六臂聚乙二醇胺（PEG-（NH2）6）作為交聯劑將N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）接枝的硫酸軟骨素（CS-NHS）大分子單體進行交聯制備了硫酸軟骨素-聚乙二醇（CS-PEG）黏合水凝膠。通過調節前驅體PEG-（NH2）6溶液的pH 可控制水凝膠的交聯密度。CS-PEG 對軟骨的黏合強度是纖維蛋白膠的10 倍，可作為生物黏合劑用于傷口愈合和再生醫學領域。

基于席夫堿、酶促反應、自由基聚合和小分子或大分子交聯劑交聯的原位水凝膠用于生物黏合，具有性能可控，以及可用于病患部位原位治療的特性，這些特性使其在傷口處理和組織黏結等醫學領域具有潛在的應用價值。

1.2 物理交聯水凝膠

目前，可注射物理交聯水凝膠作為生物黏合劑已顯示出諸多優點：（1）因其不使用小分子交聯劑毒性較低；（2）凝膠化時間通常比化學交聯水凝膠短，可以準確作用于目標部位，防止水凝膠流向其他組織；（3）熱響應性高分子也被應用于生物黏合水凝膠中，因其在低溫下以溶膠形式存在，在體溫下可轉變為凝膠，使熱響應溫敏水凝膠具有較好的生物醫學應用潛力。本課題組[10]制備了聚乙二醇-block-聚（γ-炔丙基-L-谷氨酸）（PEG-PPLG）溫敏性水凝膠，PEG-PPLG 共聚物中炔基側基能夠使疊氮化物修飾的生物活性分子（例如生物素和半乳糖）進一步官能化。乳糖對ECM 中的纖維蛋白具有吸附作用，將半乳糖基團摻入水凝膠中可提高其對細胞的黏附性能。Chen 等[47]將氧化石墨烯（GO）納米片和四重氫鍵脲基嘧啶酮（UPy）引入熱敏聚合物聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）基質中得到熱響應超分子水凝膠（GO-HSH）。GO-HSH 水凝膠對載玻片、塑料盤、鈦、鉻板以及柔軟的生物組織等材料均表現出良好的黏附性。使用豬皮作為模型底物的剪切測量表明，GO-HSH 水凝膠具有較好的生物黏合力。GO-HSH 水凝膠的最大黏合力在37 ℃時為1.30 N，幾乎是25 ℃時的2 倍，表明GO-HSH 水凝膠具有用于生物黏合材料的潛力。GO-HSH 水凝膠增強的黏合強度來源于UPy 單元的二聚化，其可形成四重氫鍵交聯網絡并有效提高GO-HSH 水凝膠的力學強度。

除了溫度敏感生物黏合劑，近紅外光（NIR）響應生物黏合劑也引起了廣泛關注。溫度和NIR 響應生物黏合劑因其黏合強度、照射時間可控和定位精準在生物醫學領域具有潛在應用價值。Di 等[48]開發了一種多功能PNIPAM/DOPA/黏土納米復合水凝膠，該水凝膠具有可調節的拉伸性能、導電性能、光熱雙響應拉伸性能和黏合性能。聚多巴胺納米粒子（PDA NP）具有優異的黏合性能和光熱性能，將其作為高效光熱劑引入到熱敏PNIPAM 網絡中制備的水凝膠具有可控的NIR 響應變形和宏觀熱響應行為。當黏土含量一定時，該水凝膠的黏合強度隨著體系中PDA NP 含量的增加而增大，可以黏附在玻璃、橡膠、紙和塑料基質上且黏合性具有熱可控重復性。該水凝膠與塑料和紙張表面的高黏合強度來源于PDA NP 表面上大量兒茶酚基團與基質表面之間的氫鍵和疏水作用。此外，協同π-π 疊加、陽離子-π 和氫鍵相互作用增強了水凝膠和橡膠及玻璃間的黏合強度。與傳統PNIPAM 水凝膠相比，這種溫敏可逆黏合水凝膠可作為黏合劑廣泛應用于各領域。

此外，采用核堿基也可制備物理交聯生物黏合水凝膠。核堿基是一類含氮堿基，是脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的基本單元，在遺傳和進化中發揮著重要作用。DNA 和RNA 存儲和編碼信息的能力來自體液環境中的堿基互補配對，包括腺嘌呤-尿嘧啶（A-U）和鳥嘌呤-胞嘧啶（G-C）[49-51]。這種堿基互補配對的獨特分子結構，使堿基水凝膠具有一定的黏合強度。通常水凝膠的黏合強度與水凝膠和固體表面間的氫鍵、疏水相互作用、金屬絡合、π-π 堆積和陽離子-π 相互作用等有關。在水凝膠和固體基質之間的界面處可能同時存在幾種協同相互作用，而基于腺嘌呤和胸腺嘧啶修飾水凝膠的黏合力僅取決于水凝膠與固體表面間的物理相互作用。

Liu 等[21,50,52]研究了來自DNA 和RNA 的獨立堿基（腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶）增強的生物黏性水凝膠，將每種堿基獨立引入到聚丙烯酰胺（PAM）中以賦予水凝膠強黏合性能。如圖3 所示，水凝膠與各種固體材料之間黏合的相互作用包括氫鍵、疏水相互作用、金屬絡合、π-π 堆積和陽離子-π 相互作用。獨立堿基―NH2和-N=基團可與固體材料的N、O、F、―OH 和―NH2等形成氫鍵。此外，―N=和―C=O 基團也可以與材料的金屬成分產生金屬絡合。由于不飽和的雜環結構的存在，使水凝膠與固體材料之間的界面可能產生π-π 堆積和陽離子-π 相互作用。堿基黏性水凝膠對有機、無機材料和生物組織均表現出優異的黏合性能。因此，堿基黏性水凝膠將在組織工程和基因治療中獲得廣泛應用。

圖 3 堿基水凝膠的黏合機理與性能[52]：（a）可能的黏附機制包括氫鍵、金屬絡合、疏水作用和其他相互作用（陽離子-π 或π-π 堆積）；（b）不同的被黏物和水凝膠之間的黏合力，包括塑料、聚四氟乙烯、聚乙烯、橡膠、硅橡膠、陶瓷、玻璃、硅玻璃、紅玉髓、木材、不銹鋼、金、銀、銅和鋁（從左到右，從頂部到底部）；（c）（上層）黏合水凝膠與小鼠內皮組織之間的黏合性和（下層）水凝膠從手臂皮膚剝離的過程中沒有殘留現象Fig. 3 Adhesion mechanism and performance of nucleobase hydrogel[52]: (a) Possible adhesion mechanisms, including hydrogen bonding,metal complexation, hydrophobic association, and other interactions（cation-π or π-π stacking）; (b) Adhesion between hydrogels and different adherends, including plastic, polytetrafluoroethylene, polythene, rubber, silica rubber, ceramic, glass, silica glass, carnelian,wood, stainless steel, gold, silver, copper, and aluminum (from left to right and then from top to bottom) ; (c) Adhesion between adhesive hydrogels and endothelial tissue of mice (Top) and no residual of hydrogel in the process of peeling from skin of arm (Bottom)

1.3 化學和物理協同交聯水凝膠

海洋生物貽貝通過足絲腺體分泌的黏附蛋白使其能夠黏附在有機、金屬和無機非金屬表面。貽貝中至少有6 種足絲黏附蛋白，這些黏附蛋白含有的DOPA 是酪氨酸在酪氨酸羥化酶作用下羥化產生的一種氧化物，具有兒茶酚羥基，屬兒茶酚胺。研究表明DOPA 主要通過共價或者非共價作用與各類有機或無機表面相互作用（圖4）[22]。DOPA 的側基能夠與親水表面形成強氫鍵，與金屬離子、金屬氧化物（Fe3+、Mn3+）和半金屬硅形成強絡合物[53-55]。DOPA 和金屬氧化物之間強且可逆的相互作用與多巴兒茶酚和氧化物表面金屬原子之間形成的雙齒金屬-氧配位鍵有關。此外，兒茶酚還能與金屬氧化物表面形成強可逆界面鍵[56,57]。鄰苯二酚的苯環能夠與其他芳環通過π-π 相互作用來改善含兒茶酚聚合物的內聚力，使其能夠附著于富含芳香族化合物的表面[58-61]。陽離子-π 相互作用則增強了富含芳香族和陽離子官能團材料的內聚性[62,63]。

圖 4 兒茶酚多巴側基與其他基團間的相互作用[22]：（a）與羥基形成氫鍵；（b）與另一個苯環發生π-π 相互作用；（c）與帶正電離子的陽離子-π 相互作用；（d）與金屬離子的螯合以形成自我修復的交聯；（e）與金屬氧化物表面的配位鍵；（f、g）DOPA 氧化形成具有高反應性的半醌和醌；（h）醌與組織表面的親核試劑（即―NH2、―SH）的界面共價交聯反應Fig. 4 Possible interactions between side chain DOPA of catechol and other groups[22]: (a) Hydrogen bonds with ―OH groups; (b) π-π Interaction with another benzene ring; (c) Cation-π interaction with positively charged ions; (d) Self-healing crosslinking formed by catechol chelating metal ions; (e) Co-ordination bonds with metal oxide surfaces; (f, g) DOPA oxidizing to its highly reactive semiquinone and quinone forms; (h) Interfacial covalent crosslinking reaction between quinone and nucleophiles (i.e., ―NH2, ―SH) on tissue surface

貽貝黏附蛋白分子通過DOPA 殘留物氧化為多巴醌而相互交聯，兒茶酚氧化后形成的半醌和醌參與分子間的共價交聯導致DOPA 黏合劑的固化。其次，DOPA 與無機或有機表面的黏合作用可以是共價鍵或非共價鍵作用，使DOPA 原位氧化成高反應性多巴醌與組織表面上的官能團（即―NH2、―SH 或咪唑）共價交聯[64-67]。此外，在不同pH 條件下進行的單分子研究表明，DOPA 和伯胺表面之間通過邁克爾加成或席夫堿反應形成了共價鍵，并且采用DOPA 和其他鄰苯二酚衍生物與吸附基材之間的相互作用實現材料的黏附性能，可用于仿生生物黏合水凝膠的制備。因此，Cencer 等[65]制備了DOPA 封端的四臂聚乙二醇（PEG-D）生物黏合水凝膠。該水凝膠的生物黏合性來源于PEG-D 與組織基質上的親核物質（如―NH2、―SH）間的化學鍵。此外，PEG-D 和軟組織之間界面鍵的形成也與pH 有關。所以，pH 在含鄰苯二酚的黏合性水凝膠氧化分子間交聯中發揮著重要作用。在溫和的酸性條件下，由于瞬時氧化中間體的穩定性增加，PEG-D 的固化較慢，在pH=8 時PEG-D 則快速固化。但相互競爭的交聯反應和分子間交聯所需的鄰苯二酚的減少可能會降低這些水凝膠的DOPA 聚合程度和黏附強度。在pH=7.4 條件下配制的膠黏劑在快速固化、提高力學性能和界面結合力方面表現出良好的平衡，在組織修復和靶向給藥的生物黏合劑方面具有潛在應用前景。

幾種基于PEG 的仿貽貝黏附蛋白高分子已顯示出對組織的強附著力[68-72]。這些黏合劑的宏觀黏合性測試表明其搭接剪切、破裂強度和剝離黏合力均優于纖維蛋白膠。目前通過化學方法將DOPA 和其他鄰苯二酚衍生物連接到各種高分子上是制備DOPA 基黏合劑的主要方法，如以PEG[71-77]、透明質酸（HA）[78,79]、ALG[80,81]、PAM[82]和殼聚糖[26,83-86]等來提高材料的黏合性能已成為研究熱點。基于DOPA 與其他基團發生的共價和非共價作用，為理想生物黏合水凝膠的設計和合成提供了一定的基礎。Chen 等[87]采用化學交聯和物理交聯合成了生物黏合水凝膠，該水凝膠通過DOPA 接枝的氧化海藻酸鈉的醛基與PAM 的氨基之間的席夫堿反應形成動態共價交聯，在DOPA 接枝的氧化海藻酸鈉的兒茶酚基團之間形成可逆的氫鍵。因此，該化學和物理交聯協同的生物黏合水凝膠在保持彈性的同時，還能承受較大變形。此外，由于氧化海藻酸鈉鏈上存在大量兒茶酚基團和DOPA 接枝氧化海藻酸鈉鏈上的醛基，使水凝膠具有獨特的細胞親和力和組織黏附性，更有利于其在傷口敷料中的進一步應用。

1.4 生物和生化結合水凝膠

圖 5 硫醇和黏蛋白形成二硫鍵的機理[89]Fig. 5 Forming mechanism of disulfide bond between thiomer and mucin[89]

二硫鍵是可逆的共價鍵，能夠在相對弱的氧化劑存在下由2 個硫醇基團形成，并能夠在溫和條件下還原成硫醇，且硫醇基團還能與組織上的氨基進行結合[88]。通過硫醇-二硫化物交換反應或簡單的氧化反應，含有硫醇的高分子和富含半胱氨酸的黏液糖蛋白亞結構域之間可以形成二硫鍵（圖5）[89]。二硫鍵存在于生物物質中，對穩定蛋白質的折疊結構非常重要。本課題組[11]制備了精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列（RGD）肽修飾的可注射酶交聯PGA 基水凝膠。細胞黏附RGD 配體通過二硫鍵與水凝膠網絡綴合，并提升了細胞對水凝膠的黏附性能。同時，以含-SH 的谷胱甘肽分子處理調控水凝膠中RGD 的表達，可使水凝膠具有可調節的生物活性。此外，硫醇功能化高分子和丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯聚合物能在生理條件下原位形成水凝膠且沒有副產物。其中硫醇化殼聚糖通過與富含半胱氨酸的黏液糖蛋白結構區域形成二硫鍵而顯示出較強的黏合性。Zeng 等[90]由聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和CSS 制備了硫醇-丙烯酸酯生物黏合水凝膠。該水凝膠的黏合強度高于纖維蛋白膠的相應值。CSS 上的―SH具有生物反應活性，可以與―COOH、―OH、―SH或其他基團反應，而這些活性基團多存在于生物組織的主要成分蛋白質、糖類和脂肪中。CSS 上的―SH與生物組織中的活性基團間的反應提高了該水凝膠的黏合強度，且黏合強度顯著高于普通市售的纖維蛋白的相應值。該課題組還制備了―SH 接枝兒茶酚-共軛殼聚糖水凝膠[85]。質量分數4%的兒茶酚-共軛殼聚糖水溶液可以在1 min 或更短的時間內原位快速形成水凝膠。水凝膠中的硫醇基團不僅提供了抗氧化機制保護了還原形式的兒茶酚，而且豐富的硫醇基團與生物組織活性基團形成的二硫鍵或產生的邁克爾加成反應提高了水凝膠的黏合強度。由硫醇化高分子組成的水凝膠有望作為軟組織黏合劑。

在生物黏合水凝膠系統中，纖維蛋白水凝膠因其促細胞黏附、增殖、干細胞分化及促血管生成性能而引起廣泛關注[91-93]。纖維蛋白水凝膠是由纖維蛋白原形成的可降解生物高分子，其凝膠化過程主要模仿凝血級聯的最后一步并產生纖維蛋白凝塊。纖維蛋白水凝膠中的纖維蛋白原和凝血酶是血液凝固過程涉及的主要成分，纖維蛋白原通過凝血酶的介導轉化為纖維蛋白，纖維蛋白通過凝血因子交聯固化成纖維蛋白水凝膠網絡結構[94,95]。纖維蛋白可通過共價鍵、氫鍵或其他機械互鎖與生物組織結合提高纖維蛋白水凝膠的黏合強度。纖維蛋白水凝膠用于生物體后，可以被纖溶酶和基質金屬蛋白酶等蛋白酶降解，降解產物可被巨噬細胞吞噬并最終被身體吸收。此外，增加凝血酶的濃度會加速水凝膠的凝膠化并產生更細的纖維結構和更密集交聯的網絡結構，而降低凝血酶濃度則導致水凝膠具有更高的孔隙率。即使纖維蛋白水凝膠具有較好的生物降解性和生物黏合性，其在組織工程中的應用仍然存在著力學性能差和潛在的疾病傳播風險等障礙[96,97]。目前可以通過化學改性纖維蛋白水凝膠的結構來改善水凝膠的力學性能和水凝膠的收縮問題。京尼平作為一種低毒性源自梔子果實的天然交聯劑，當其與纖維蛋白交聯后所得到的纖維蛋白水凝膠力學性能良好[98,99]。優異的生物相容性、可控的降解速率、黏合性和原位固化能力的結合使纖維蛋白水凝膠在組織工程應用中具有較大潛力。

基于醛基和生物組織中氨基的席夫堿反應，酶催化苯酚類化合物相互反應形成寡聚體進一步形成的原位水凝膠，和通過自由基聚合制備的生物黏合水凝膠，以及采用小分子天然生物交聯劑或大分子交聯劑得到的化學交聯水凝膠用于生物黏合均具有性能可控的特性。物理交聯的溫度敏感水凝膠和堿基水凝膠也具有較好的生物黏合力，這些水凝膠在生物醫學領域中均具有潛在的應用價值。基于DOPA 和其他鄰苯二酚衍生物可制備具有化學和物理協同交聯作用的黏合水凝膠，有望為設計多功能生物黏合水凝膠開辟新思路。將生物與生化相結合，通過硫醇與生物組織中的活性基團的反應或通過纖維蛋白與生物組織的結合可提高水凝膠的黏合力并促進其應用。生物黏合水凝膠均應具有生物相容性、可生物降解性、快速交聯、易于應用、黏合力較強、黏合力可調且持久的特性，能夠促進組織再生和傷口愈合也是理想黏合劑的特點之一。

2 生物黏合水凝膠的生物醫學應用

2.1 傷口愈合

慢性傷口或創面極易受多種致病菌的感染，如大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、絲狀真菌和酵母等。其中耐甲氧西林金黃色葡萄球菌及綠膿桿菌感染可導致嚴重的組織損傷，甚至膿毒血癥等并發癥。為了避免傷口感染，傷口敷料應具有良好的抗菌活性。在生物黏合水凝膠中加入抗菌劑或直接使用具有抗菌活性的材料可有效治療傷口感染。生物黏合水凝膠負載的抗菌劑包括金屬納米粒子、石墨烯、抗菌肽以及有機抗菌劑如環丙沙星、萬古霉素和氯霉素等。抗菌納米粒子（TiO2、ZnO、SiO2和AuNPs 等）已被引入生物黏合水凝膠體系中，它們可吸收皮膚組織ECM 中的許多蛋白質鏈（如膠原蛋白）并可用作網絡結構之間的連接體[100,101]。Mao 等[102]將Ag/Ag@AgCl/ZnO 雜化納米結構嵌入水凝膠中，ZnO 釋放的Zn2+可促進成纖維細胞對真皮和創面周圍皮下組織的增殖和分化。此外Ag 通過提高與抗菌活性有關的光催化活性也能增強ZnO 的抗菌活性。因此，在體內實驗中Ag+和Zn2+產生的協同抗菌作用加速了傷口愈合。天然高分子殼聚糖不僅具備止血和抑菌作用，還能以多種形式用于組織再生。Hoque 等[103]利用聚醛和聚陽離子相互反應并與ECM 交聯相互作用，將殼聚糖衍生物N-2-羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖作為抗菌成分，與聚葡聚糖醛共混原位制備了具有抗菌活性的生物黏合水凝膠。在評估大鼠傷口愈合實驗中，該生物黏合水凝膠的創面愈合率高達（78 ± 9）%，表現出良好的傷口愈合性能，有望應用于臨床傷口治療。另一種常用的天然多糖HA 具有良好的生物相容性以及促進細胞增殖的能力[104,105]，在部分降解后可誘導血管生成。合成聚乙烯基膦酸（PVPA）由于能夠在水凝膠中形成3D 網絡并與血清蛋白相互作用，可以增強細胞黏附和增殖。

2.2 心肌組織工程

心肌梗塞（MI）是目前世界上最常見的死亡原因之一，導電水凝膠有利于電學信號傳導可促進MI 后受損心臟功能的重建[106]。導電水凝膠因其高含水量和與天然軟組織的分子相似性而成為MI 治療的軟導體之一。導電水凝膠通常采用導電聚合物，如聚苯胺和聚吡咯，使其具有固有的電子傳導性能。此外，將具有導電功能的碳納米管[107-110]、炭黑[111,112]和金屬納米粒子[113,114]等與傳統水凝膠相結合制備導電生物材料，能夠提高材料的導電性并促進細胞成熟和組織再生。為了實現與皮膚、心臟和其他組織的黏附，導電水凝膠還應具有黏合性能。Liang 等[113]通過Fe3+觸發的含有DOPA 的超支化聚吡咯的原位凝膠化反應制備了可涂覆和快速黏合的導電水凝膠貼片。Fe3+作為固化劑可以引發超支化聚吡咯中端基吡咯的聚合，使吡咯基團均勻分布在所形成的水凝膠中，避免吡咯單體的毒性和泄漏，可直接用于機體。此外，Fe3+作為固化劑還可以在中性pH 條件下與超支化聚合物中的DOPA 基團結合，增強水凝膠的濕黏附。這種水凝膠貼片無需縫合或外部光刺激，能夠快速貼合到心臟表面。這種同時結合自發性黏附和導電性的功能性貼片鮮見報道。該導電黏合水凝膠貼片能夠在凝膠狀態下流動，可以在潮濕狀態下方便地涂覆和黏合到非平坦的組織表面，有效促進心臟功能恢復并增強電生理信號的傳導和梗塞心肌的血運重建。目前，除了將生物黏合水凝膠應用于MI 外，對于穿透性心臟損傷的密封和止血也需要濕組織壁和黏合劑之間的強黏附、維持血壓的高力學強度和組織再生的良好生物相容性。因此，Hong 等[115]采用GelMA 和鄰硝基芐基類光扳機分子（NB）修飾的HA（HA-NB）設計了一種模擬ECM 成分的光反應型黏合劑，該水凝膠的有效濕黏附性質來自光生成的醛基與組織表面上的氨基鍵合，其力學強度來自其兩個內部共價交聯網絡。在UV 照射后，甲基丙烯酸酯膠迅速產生水凝膠的第一交聯網絡元素。同時，生物黏合水凝膠界面HA-NB 上的一些光生醛基與組織蛋白的氨基發生了席夫堿反應。水凝膠HA-NB 上的光生醛基與聚甲基丙烯酸酯的氨基反應形成了第二交聯網絡。隨著反應的進行，剩余的醛基與組織表面的氨基和聚甲基丙烯酸酯反應以結合組織并增加內部交聯。兩種化學交聯基質的產生使水凝膠的組織黏附和內部強度顯著增強。該生物黏合水凝膠在紫外線照射后可以快速黏附和密封出血動脈和心臟壁，這項研究為設計多功能性生物黏合水凝膠開辟了一條新途徑。

2.3 止血劑

人體自身的凝血過程分為初級止血和凝血級聯，使血液轉化為穩定的不溶性纖維蛋白，從而達到止血的目的。采用紗布壓迫、縫扎和電凝止血的傳統止血方法，存在感染率高、血源性疾病傳播和組織反應性等風險[116,117]。此外，這些傳統止血方法僅適用于輕微損傷，不能用于治療大量出血，特別是心血管、肝臟、腎臟、骨科和脊柱手術的出血控制[118]。傳統止血劑纖維蛋白膠的力學強度弱[119]，而氰基丙烯酸酯的細胞毒性大，均不適合體內臨床止血[120]。因此，開發生物相容性好、可生物降解和固化快的生物黏合水凝膠用于止血劑成為研究熱點。Wang 等[121]使用聚賴氨酸接枝的PEG 和酪胺通過酶促交聯反應制備了原位水凝膠。聚賴氨酸會刺激血小板聚集和促使纖維蛋白原凝膠化，具有優異的止血性能，而PEG 具有良好的生物相容性，兩者的協同作用使該水凝膠能黏合周圍組織并誘導血液凝固，可以用作局部止血劑。殼聚糖因其優異的組織黏附性、止血活性和抗感染活性而被用作傷口敷料，用PEG 修飾殼聚糖可以增強殼聚糖的水溶性。Lih 等[122]用酪胺改性的PEG 接枝殼聚糖，通過HRP 和H2O2原位快速形成生物黏合水凝膠。當該水凝膠應用于大鼠肝臟缺損或大鼠皮膚切口模型時，通過酶交聯方法固化的水凝膠在5 s 內顯示出優異的止血特性和傷口愈合效果。因此，該原位可固化殼聚糖水凝膠具有傷口止血和愈合的應用潛力。此外，Nie 等[45]采用硫醇改性殼聚糖和ε-聚賴氨酸通過邁克爾加成反應開發了原位殼聚糖/ε-聚賴氨酸黏性水凝膠，該水凝膠可用作黏合密封劑和止血劑，在治療大鼠肝臟出血時顯著阻止出血，其優異的止血性能使其具有用于新型組織密封劑和止血劑的潛力。

2.4 骨組織修復

由于缺乏血液供應和神經支配，關節軟骨的自我修復能力有限，而采用組織工程技術，利用生物材料組織工程技術進行軟骨修復是行之有效的手段。生物材料可以以兩種形式用于關節軟骨治療：一種是作為永久性植入物來替換受損軟骨；另一種是作為細胞載體材料以促進組織再生。生物材料作為骨修復基質可以促進細胞增殖和分化以及組織形成。硫酸軟骨素（CS）是一種用于骨修復的基礎材料，它來源于動物軟骨和體內其他組織，可以改善傷口愈合，有助于恢復關節炎的關節功能[123,124]。將CS 引入到水凝膠中可以促進細胞增殖，增加軟骨ECM 沉積，從而顯著促進軟骨形成。Lu 等[125]采用點擊化學和動態酰腙鍵交聯制備了生物黏合水凝膠，由于氧化硫酸軟骨素中過量的醛基與動物組織中的氨基之間形成了席夫堿，使該水凝膠具有優異的黏合性能。此外，將具有促進骨修復性能的骨形態發生蛋白生長因子引入到該水凝膠后，在體內顱骨修復實驗中發現顱骨缺損區域檢測到新生骨組織。因此，該生物黏合水凝膠有應用于臨床骨修復的潛力。Han等[126]通過將聚多巴胺-硫酸軟骨素（PDA-CS）復合物引入彈性PAM 網絡，開發了一種新型的組織黏合水凝膠（PDA-CS-PAM）。由于PDA 上有大量的反應性兒茶酚基團，PDA 和CS 自組裝形成軟骨特異性復合物（PDACS）。這種兒茶酚基豐富的PDA-CS 復合物賦予水凝膠良好的細胞親和力和組織黏附性，可以促進細胞黏附和組織整合。與裸細胞相比，水凝膠中的PDA-CS 復合物能更有效地發揮其對黏附細胞的作用，從而促進軟骨分化。由于PDA-CS 復合物和共價交聯的PAM 網絡引起的非共價相互作用的協同效應，水凝膠表現出優良的彈性和韌性，可以滿足軟骨修復的力學要求。該PDA-CS-PAM 水凝膠為軟骨細胞生長和軟骨再生創造了一個無生長因子和仿生的微環境，提供了無生長因子軟骨修復生物材料設計的新思路。

3 結論與展望

生物黏合水凝膠可用于傷口愈合、心肌組織工程、止血劑和骨組織修復等生物醫用領域并取得了很好的研究進展。但對其制備方法和黏合機理的深入研究鮮見報道。生物黏合水凝膠的黏合力與水凝膠的制備方法及其帶有的活性基團相關。在原位水凝膠形成過程中，水凝膠中的活性基團可以與生物組織中的活性基團進行物理或化學相互作用。依據制備方法的不同，生物黏合水凝膠可以分為化學交聯水凝膠、物理交聯水凝膠、化學和物理協同交聯水凝膠，以及生物和生化結合水凝膠，不同類型的水凝膠具有不同的黏合機理。

化學交聯水凝膠可以采用席夫堿反應、酶促反應、自由基聚合和小分子天然生物交聯劑或大分子交聯劑進行交聯固化成三維網狀結構。在交聯固化過程中，水凝膠與生物組織發生化學反應并產生黏附。物理交聯的溫敏水凝膠和堿基黏性水凝膠通過氫鍵和疏水相互作用等發揮強黏合力作用。生物和生化結合水凝膠是將生物與生化相結合得到的具有黏合力的水凝膠。在生物組織主要成分蛋白質、糖類和脂肪中存在著―COOH、―OH、―SH 或其他可反應基團，通過硫醇基團與這些活性基團形成二硫鍵或產生邁克爾加成反應可以提高水凝膠的黏合強度。此外，通過纖維蛋白與生物組織間共價鍵、氫鍵或其他機械互鎖等方式的結合可以提高纖維蛋白水凝膠的黏合強度。基于DOPA 可能與其他基團發生的共價和非共價作用，為制備化學和物理協同交聯水凝膠提供了研究思路。貽貝足絲蛋白的黏結性來自于其有效基團DOPA。DOPA 與金屬離子的絡合作用、活性氫基的化學鍵合，以及氧化后鄰位二醌與活性基團間的反應提供了DOPA 基水凝膠的黏附性能。此外，富含芳香族和陽離子官能團的水凝膠也可通過π-π 相互作用增強其與基底材料的黏結力。

生物黏合水凝膠可以通過增強水凝膠的內聚力以及水凝膠和天然組織之間的黏合力來促進受損組織的修復和重建。對于生物黏合劑而言，研制適用于更廣泛的組織類型和組織環境（濕組織和干組織）的水凝膠是研究重點方向之一。此外，將生物黏合水凝膠和藥物輸送技術相結合提高病理手術愈合率或組織恢復性能也是一個重要的研究方向。開發多功能生物黏合水凝膠用于3D 生物打印，可以適應組織工程再生或靶向藥物遞送的特定要求，也是生物黏合水凝膠研發的新方向。