医用神器:甩不掉,撕不开的“鼻涕虫”

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作者:佚名 发布日期:2017-08-22 09:00

小时候我们都嫌弃过跟在屁股后面一步不离的弟弟妹妹们,管他们叫做“小鼻涕虫”。小鼻涕虫们总是奶声奶气,哭哭啼啼,而且还……怎么也甩不掉。
今天要介绍的这种新型材料,就是科学家从“甩不掉”的鼻涕虫身上得到的灵感:就在上个月,《科学》(Science)杂志报道了一种能用在湿滑的生物体表面,甩不掉、扯不断的医用粘合材料。

加了绿色染料的粘合材料样品,研究人员把它卷成了鼻涕虫的形状,看上去就像是蠕虫形状的软糖。

粘合剂的工作原理,就是在两个界面之间构建各种各样的作用力,把这两个界面粘在一起。界面间的作用力主要有这么几种:

⇒ 一种是化学键,这种作用力比较强,但粘合剂撕下来的时候会扯开化学键,破坏表面;

⇒ 另一种是非化学键,利用物理的相互作用(静电吸附、范德华力等),不破坏表面,但是作用力也相对弱一点。

在生物组织表面作用的粘合剂,原理也不外乎是以上两大类,但还有些其他的要求:

⇒ 首先,粘在湿乎乎的表面上不轻易脱落,需要更强的相互作用力;

⇒ 然后,生物体上作用的粘合剂要适应生物体运动对粘合剂的拉伸,比如肌肉收缩、肺部膨胀和压缩、心脏跳动等等;

⇒ 最后,粘合剂还不能对生物体产生毒害。

今天要介绍的新型粘合材料,为以上需求提供了一个不错解决方案。

这种新材料由两个部分组成:

⇒ 一部分是“鼻涕虫涂层”,提供粘合性,负责粘在湿滑的生物体表面“甩不掉”;

⇒ 另一部分是“基体材料”,提供强度,负责“扯不断”。

贴在猪心上的新型粘合材料。

甩不掉的“鼻涕虫涂层”
先来说说“鼻涕虫涂层”的这一部分:这是提供粘合作用的关键所在。

粘合作用的大小,可以用焦耳/每平方米(J/m2)来表示。它的意义是,把单位面积粘合在一起的界面分开需要做的功。举个例子,软骨和骨组织之间的粘合力有800 焦耳/每平方米,就是一种挺强的粘合作用了。现有的医用粘合剂,粘合作用只有10焦耳/每平方米左右。要提高粘合作用,就要增强粘合剂和粘合表面之间的作用力。

科学家们从鼻涕虫爬行的行为和环境得到灵感,从一种鼻涕虫(Arion subfuscus)分泌的粘液中,发现了一种能显著增强鼻涕虫和爬行表面之间粘合作用的蛋白质[3]。

这种蛋白质增强粘合的原理来自两方面:

⇒ 一方面是静电吸附——这种蛋白上带正电荷,可以和带负电荷的细胞形成静电吸附,正适用于生物体的器官和组织表面;

⇒ 另一方面是化学键的形成,蛋白质上的一些氨基酸会和粘合表面形成共价键——双方各派出几个原子,共享几对电子,进一步提高粘合性。
扯不断的“基体材料”
⇒ 一方面是静电吸附——这种蛋白上带正电荷,可以和带负电荷的细胞形成静电吸附,正适用于生物体的器官和组织表面;粘合表面完成了,接下来要解决的就是“基体材料”的部分。基体材料有两个要求:首先是要和粘合层结合紧密在一起。有的商标撕下来以后残留在表面的那一部分,就是粘合剂和基体结合得不好。

⇒ 二是要具有良好的柔韧性,应对不断运动的肌肉和组织表面。

这两个方面是相辅相成的。比如,一块粘在心脏表面的材料,它的形状要像弹簧一样,能随着心脏的收缩和舒张变化。心脏舒张,材料伸长、舒展;心脏收缩,材料还得能回弹,缩短。基体和粘合涂层结合不紧密,或者基体本身不够柔韧,都有可能导致粘合材料不能适应心脏的形状变化,从表面脱落,甚至可能损伤心脏。

科研人员在众多的高分子材料中选出了一种强度、柔韧性、生物相容性等性能都合适的凝胶材料作为基体。它的微观结构是由海藻酸盐和聚丙烯酰胺两种分子手拉手形成的交联网络。这种凝胶网络就像是弹簧,当外力袭来,凝胶网络通过变形吸收大部分能量;外力消失,网络又会弹回原状[1]。网络内部的海藻酸盐和钙离子形成的化学键断裂也能吸收能量,增强了它的强度。

研究者们为了让基体材料和涂层更好地结合,加入了一种高分子链“做媒”(下图中绿色线条),让基体材料和“鼻涕虫涂层”通过化学键牢牢地结合在一起。

材料和粘合表面作用过程的示意图。为了模拟人体的皮肤和组织,科学家选择了猪皮被选用做为粘合表面。绿色的粘合层是“鼻涕虫涂层”。粘合层和基体材料实际上是一个互相渗透的整体。

上图可以看出,在这种新型粘合材料中,粘合层和基体材料实际上是一个互相渗透的整体。鼻涕虫涂层和基体材料紧密结合,与粘合表面形成多种结合作用。图中没有画出的是,凝胶材料还会渗透进粘合表面上的凹陷和缝隙,形成物理渗透(大概类似于榫卯结构,凝胶流动到粘和表面上的小缺陷里,相互“咬合”,增大摩擦)。

界面受到外力作用,界面要被撕开的时候,各种物理吸附作用、化学键、以及交联网络都能通过断裂或变形来吸收能量。能吸收的能量越多,粘合剂的效果就越好。

那么粘合力究竟如何呢,试验中测出的粘合力大约1116焦耳/每平方米,比现有的粘合剂粘合力大了一百倍。

应对运动的粘合表面,这种材料的表现同样出色。在器官内部注水或者充气,使粘合的表面不断膨胀收缩,密封部位要受到压力的冲击,经过几次循环,材料没有出现松动或者脱落的迹象,孔洞密封良好。

研究者还在跳动的心脏表面贴上一块材料,测试它在持续受力形变时的粘合效果。材料不仅可以稳稳地贴在跳动的心脏上,还可以作为止血材料,使破损的处血液不再流出;经过大力拉扯,材料不断伸长,变形,但和心脏接触的粘合部分岿然不动。研究人员还测试了这种材料在肝脏表面、皮肤、软骨、血管等部位的粘合力,大部分结果都接近1000焦耳/每平方米,可以说战斗力很强了有木有!

具有强大粘合力,能应用在湿润表面和运动组织上,还有良好的生物相容性,这种粘合剂可以用于急救止血、术后缝合、器官移植等等场景,一贴解决,堪称医生和急救人员的“好帮手”。相信随着后期的改进,还可以期待一下更多功能:比如可降解的品种,能随着伤口的愈合慢慢被人体吸收;或者能够搭载药物的品种,贴在病患部位直接释放药物,精准治疗……前景广阔。

吐槽:大概可降解的品种是最急需的,要不然还得担心这么厉害的粘合剂要怎么揭下来23333.
参考文献:
1. J. Li, A. D. Celiz, J. Yang, et al. Tough adhesives for diverse wet surfaces [J]. Science, 2017, 6349(357): 378-381.

2. Wikipedia, Mechanisms of adhesion, available at https://en.wikipedia.org/wiki/Adhesive

3.Pawlicki J, Pease L, Pierce C M, et al. The effect of molluscan glue proteins on gel mechanics[J]. The Journal of Experimental Biology, 2004, 207(7): 1127-1135.