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新型双面胶实现强力粘附

来源:荣格国际医疗设备商情 发布时间:2019-12-18
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普通胶带可在干燥物体表面轻松粘牢,但它一碰上湿润物体表面就不灵了,例如人体组织。这是因为,水分会将两个接触面的分子隔离开来,阻止了其相互作用。在自然界潮湿环境中生活的贻贝和蜘蛛,显然没有这种困扰,它们能够去除接触面的水分从而形成强力粘合,科学家由此受到启发。
 
10月30日,麻省理工学院机械工程系副教授赵选贺(Xuanhe Zhao)团队关于一种新型双面胶带(DST)的研究发表在《自然》杂志上。
 
在医学湿组织的粘附中,与缝合或钉合相比,粘合更具优势。目前已有的组织粘合剂主要依赖在组织表面水分中扩散其大分子单体或聚合物,来形成和湿组织的粘结。但这类粘合剂尚不成熟:粘附速度太慢,粘合力弱,与组织的机械匹配性差,生物相容性低,并且不方便保存或使用。
 
麻省理工学院机械工程系副教授赵选贺(Xuanhe Zhao)团队提出干燥交联机理(dry-crosslinking),并发明了一种新型双面胶带(DST)。新型双面胶由明胶或壳聚糖这类生物聚合物和聚丙烯酸-N-琥珀酰亚胺酯组成,这是一种可生物降解的材料。其原理是,双面胶可以发生快速水合和溶胀,也就是说该聚合物能够快速干燥湿组织表面水分,从而与组织表面形成快速临时交联。随后双面胶与组织表面的胺基形成共价交联,进一步增强了粘合的强度和长期稳定性。
 
新型双面胶与此前组织粘合剂对比。图 a 和图 b 为之前的产品,依靠组织表面水 分中扩散大分子单体或聚合物来形成湿组织粘结。图 c 和图 d 为新型双面胶,该 聚合物能够快速干燥湿组织表面水分,在组织表面形成共价交联。(来源:赵选贺
 
这是一种受生物启发的、但不是仿制生物的设计。赵选贺介绍说,现有的研究大多仿制能在潮湿环境中粘结的生物胶水的成分,例如其中的蛋白质。他们的工作是基于理解贻贝、蜘蛛等在潮湿环境下粘结的机理,然后用可以大规模生产的、廉价的、生物兼容的材料制造人体双面胶。
 
这一干燥效果在轻压组织表面(1千帕斯卡)下即可实现。体外小鼠、体内大鼠和离体猪的器官试验表明,无论在出血组织还是工程固体,这种双面胶可以在5秒内实现强力粘附。研究人员认为,这种双面胶可以作为组织粘合剂和密封剂,用于可穿戴设备和可植入设备与湿组织的粘附。
 
现有的组织粘合剂的粘附时间长于1分钟,并且它们的粘附性能包括韧性、剪切和拉伸强度,均弱于新型双面胶。虽然坚韧水凝胶粘合剂可以实现接近新型双面胶的韧性,但它需要在组织表面持续施压5分钟到30分钟才能实现有效粘附。
 
为了验证新型双面胶在跳动心脏的粘附性能,赵选贺将一个塑料贴片在5秒钟内粘在小老鼠跳动的心脏上,并保持在跳动心脏上牢固粘合很多天。
 
据赵选贺表示,这项研究的第一个突破是在机理上。他们提出了干燥交联(dry-cross linking)机理,来实现体内器官等潮湿表面的快速粘合,并保持粘合长期坚韧。
 
第二个突破是在生物胶水的形式上。他们发明了人体双面胶,不需要光照、紫外线(UV)、加热、搅拌、涂抹等操作,直接像使用双面胶那样应用在器官和植入设备上。与常用的液态生物胶水相比,更加方便医生使用。
 
第三个突破是在生物胶水的性能上。人体双面胶可以在5秒钟内粘合各种软湿器官以及植入设备,保持长期坚韧粘结和生物兼容,并且最终能实现生物降解。例如,我们可以把一个塑料贴片在5秒钟内粘在小老鼠跳动的心脏上,并保持在跳动心脏上牢固粘合很多天。
 
与现有生物胶水相比,新型双面胶的湿组织粘附性能如何?赵选贺表示,现有的商用生物胶水都需要一分钟以上的粘合时间,而粘合韧性在20焦耳每平方米(Jm-2)以下。人体双面胶仅需要5秒钟粘合各种组织器官,粘合韧性可高达1000焦耳每平方米;此外,虽然坚韧水凝胶的粘合韧性可达1000焦耳每平方米,但是需要5-30分钟持续稳定按压才能形成粘结。
 
赵选贺团队提出干燥粘合的新机理,设计了新的复合材料,解决了生物粘结和湿粘结领域的一个难题。需要强调的是,人体双面胶的每个成分都是现有的生物材料,而且都使用在FDA批准的产品中。
 
赵选贺表示,他们发现干燥交联机理可以很好地应用在出血伤口上。同时,虽然本研究侧重于用双面胶粘合体内器官和植入设备,但他们发现双面胶可以有效地粘合并处理日常伤口,甚至是糖尿病人的慢性伤口。他们正在做这些方面的研究。因为这个技术比较成熟,优势明显,可能救治很多病人,他们正在大力推广临床应用,也在考虑商业化。另外,干燥交联机理和人体双面胶已经通过MIT申请专利。
 

本文来自 DeepTech 深科技

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