水凝胶是一种多功能的生物材料，征服了越来越多的生物医学领域。它们由水膨胀的分子网络组成，可以定制以模仿各种器官和组织的机械和化学特征，它们可以在体内和外表面相互作用，而不会对人体解剖结构中最脆弱的部分造成任何损害。
水凝胶已经在临床实践中用于治疗药物以对抗病原体;作为眼内镜和隐形眼镜，以及眼科中的角膜假体;骨水泥、伤口敷料、凝血绷带和组织工程和再生中的 3D 支架。
然而，快速而牢固地将水凝胶聚合物相互连接仍然是一个未满足的需求，因为传统方法通常会导致粘附时间超过预期的粘附时间后附着力较弱，并且依赖于复杂的程序。
实现聚合物的快速粘附可以实现许多新的应用，例如，可以微调刚度以更好地贴合特定组织的水凝胶，按需封装用于医疗诊断的柔性电子设备，或为身体难以绷带的部位创建自粘组织包裹。
现在，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的科学家们创造了一种简单而通用的方法，使用壳聚糖薄膜立即有效地粘合由相同或不同类型的水凝胶和其他聚合物材料制成的层： 一种纤维状的糖基材料，来源于贝类加工过的外骨骼。
研究人员成功地将他们的新方法应用于几个未解决的医学问题，包括组织的局部保护性冷却，血管损伤的密封，以及防止不应相互粘附的体内表面不必要的“手术粘连”。研究结果发布在《美国国家科学院院刊》上。
“壳聚糖薄膜具有有效组装、微调和保护体内外水凝胶的能力，为创造再生医学和外科护理设备开辟了许多新的机会，”资深作者和创始Wyss研究所核心教员David Mooney博士说。
“它们可以应用的速度，易用性和有效性使它们成为高度通用的工具和组件，用于手术期间通常很短的时间窗口内的体内组装过程，以及在制造设施中简单制造复杂的生物材料结构，”Mooney说，他也是SEAS的Robert P. Pinkas家庭生物工程教授。
在过去的几年里，Mooney在Wyss研究所和SEAS的团队开发了“坚韧粘合剂”，这是一系列再生医学方法，使用可拉伸的水凝胶，通过牢固地粘附在湿组织表面并符合组织的机械性能来促进伤口愈合和组织再生。
“精确配制的坚韧胶粘剂和非粘性水凝胶为我们和其他研究人员提供了改善患者护理的新机会。但为了进一步提高它们的功能，我们希望能够在更复杂的组件中组合两种或多种水凝胶，并在一个简单的过程中快速、安全地做到这一点，“共同第一作者和前 Wyss 研究助理 Benjamin Freedman 博士说，他与 Mooney 一起率先开发了几项 Tough Adhesive。
“现有的即时粘合水凝胶或弹性体的方法具有明显的缺点，因为它们依赖于有毒胶水，其表面的化学功能化或其他复杂的程序。
通过生物材料筛选方法，该团队确定了完全由壳聚糖制成的桥接膜。壳聚糖是一种含糖聚合物，可以很容易地由贝类的几丁质壳制成，并且已经进入了广泛的商业应用。例如，它目前用于处理种子和农业中的生物杀虫剂，以防止酿酒、自修复油漆涂料和医疗伤口处理中的腐败。
研究小组发现，壳聚糖薄膜通过化学和物理相互作用实现了水凝胶的快速和强键合，这与传统水凝胶键合方法不同。
壳聚糖的糖链不是基于单个原子之间的电子共享产生新的化学键，而是由pH值的微小变化引起的，而是迅速吸收水凝胶层之间的水，并与水凝胶的聚合物支架纠缠在一起，通过静电相互作用和氢键形成多个键。
这导致水凝胶之间的粘附力大大超过通过传统水凝胶粘合方法产生的粘附力。
为了展示他们新方法的广阔潜力，研究人员专注于非常不同的医学挑战。他们表明，用壳聚糖薄膜改性的坚韧粘合剂现在可以很容易地缠绕在圆柱形上，如受伤的手指作为自粘绷带，以提供更好的伤口护理。由于壳聚糖键合水凝胶的高含水量，它们的应用还允许局部冷却下面的人体皮肤，这在未来可能导致替代烧伤治疗。
研究人员还包裹了水凝胶，其表面用薄壳聚糖膜无缝地包裹在肠道、肌腱和周围神经组织周围，而不会与组织本身结合。
“这种方法提供了在手术过程中有效地将组织彼此隔离的可能性，否则可能会形成'纤维化粘连'，有时会造成毁灭性的后果。它们的预防是商业技术尚未充分解决的未满足的临床需求，“弗里德曼解释说。
在另一种应用中，他们在已经放置在受伤猪主动脉上的坚韧凝胶上涂上一层薄薄的壳聚糖薄膜作为伤口密封剂，以增加绷带的整体强度，绷带暴露于血液通过血管的周期性机械力。
“Dave Mooney的小组从这项研究中出现的多种可能性为生物医学水凝胶设备的工程增加了一个新的维度，这可能为再生和外科医学中未解决的紧急问题提供优雅的解决方案，许多患者可以从中受益，”Wyss创始主任Donald Ingber博士说，他也是哈佛医学院和波士顿儿童医院的Judah Folkman血管生物学教授。 以及 SEAS 的 Hansjörg Wyss 仿生工程教授。
该研究的其他作者是Wyss研究所和SEAS的共同第一作者Juan Cintron Cruz，Mathew Lee和James Weaver;SEAS 的 Phoebe Kwon、Haley Jeffers 和 Daniel Kent;以及波士顿贝丝以色列女执事医疗中心的凯尔·吴。
