受蜘蛛丝启发的双交联生物粘合剂，适用于湿润组织的粘附

《Materials Reports: Energy》：Spider silk-inspired dual-crosslinked bioadhesive for wet tissue adhesion

　　仿生双交联聚多酚酸-丝纤蛋白水凝胶通过调控鞣酸自聚合程度显著提升湿粘附性能（达60.13 kPa），并促进小鼠皮肤伤口愈合速度提高近20%。

　　
本研究提出了一种基于蜘蛛丝结构仿生的双交联水凝胶（pTS）制备策略，旨在解决传统单宁酸基水凝胶机械强度不足和湿环境粘附性能欠佳的问题。通过系统调控单宁酸（TA）自聚合程度，构建了兼具β-折叠纳米结晶区和动态氢键网络的结构体系，实现了湿环境下60.13 kPa的粘附强度突破，较常规水凝胶提升近2倍，并在小鼠皮肤伤口愈合模型中验证了20%的愈合效率增益。

**1. 研究背景与创新性**
传统基于贻贝粘附蛋白的酚羟基水凝胶（如TS体系）虽具备湿环境粘附特性，但其机械性能受限于无序聚合物链和松散三维网络结构。蜘蛛丝独特的"结晶-无定形"层次结构（β-片晶与无定形区交替排列）为材料设计提供了新思路：β-片晶区通过氢键和范德华力提供刚性支撑，无定形区通过动态氢键实现能量耗散。本研究创新性地采用TA可控自聚技术，通过调节自聚时间（0-60分钟）实现pTA分子量梯度分布，进而构建与蜘蛛丝结构等效的双交联网络（化学键+氢键），显著提升材料机械强度与湿粘附稳定性。

**2. 关键制备技术**
（1）**TA自聚调控技术**：在碱性介质（pH 8.0）中引入抗坏血酸（SA）作为终止剂，通过精确控制SA添加时间（0-60分钟）实现TA自聚程度的梯度调控。UV-Vis光谱显示340 nm特征峰强度与TA聚合度呈正相关（R2=0.98），成功构建0-40分钟（低聚）至60分钟（高聚）的梯度化pTA溶液体系。

（2）**双网络构建策略**：将SF溶液（10 wt%浓度）与不同自聚程度的pTA溶液按1:1体积比混合，通过37℃交联反应形成：
- **化学交联网络**：TA分子通过邻苯二酚基团间形成共价交联（C-O键）
- **物理交联网络**：SFβ-片晶与TA氢键形成动态交联（N-H/O-H键）

**3. 性能优化机制**
（1）**结构调控效应**：
- XRD分析显示，随着TA自聚时间延长，pTS中β-片晶含量从51.3%提升至67.5%（pTS-40组），对应材料储能模量（G'）从5569 Pa增至8234 Pa。
- SEM图像显示，40分钟自聚形成的pTS-40具有最佳孔隙结构（孔径50-200 nm占比达88%），其比表面积（29.7 m2/g）较传统TS水凝胶提升3.2倍。

（2）**动态交联特性**：
- 通过FTIR光谱分析发现，1615-1637 cm?1区域（β-片晶特征峰）强度随自聚时间增加先升后降，印证蜘蛛丝结构中β-片晶与无定形区的周期性分布。
- 拉伸剪切试验表明，pTS-40在5%应变时仍保持62.3 kPa的粘附强度，较pTS-0（19.8 kPa）提升217%，且在2周内力学性能衰减率仅为7.2%。

**4. 生物医学性能验证**
（1）**湿环境适应性**：
- 通过仿生测试（手指关节弯曲实验）证实，pTS-40在90°弯曲时仍保持完整粘附界面，剥离强度达63.2 kPa，较商业胶带（20-30 kPa）提升2-3倍。
- 吸胀实验显示，经96小时PBS浸泡后，pTS-40体积变化率（-3.1%）显著低于pTS-0（+18.7%），证明其三维网络结构的抗肿胀特性。

（2）**细胞相容性**：
- CCK-8检测显示，所有pTS组细胞活力均＞85%（pTS-0：89.2%±0.95%，pTS-40：86.5%±3.2%）
- 免疫荧光显示细胞骨架（F-actin）分布均匀， nuclei/cytoskeleton比例保持1:3.2±0.4（正常细胞标准值）

（3）**体内生物相容性**：
- 组织病理学分析（H&E染色）显示，pTS-40处理组7天时胶原蛋白沉积量达75.98%±1.31%，较对照组（29.27%±1.45%）提升2.6倍。
- TNF-α炎症因子表达量在pTS-40组下降至3.22%±0.82%（对照组12.7%±1.05%），验证其抗炎特性。

**5. 临床应用潜力**
（1）**伤口愈合加速机制**：
- pTS-40组在第7天伤口面积缩减率达68.4%，较对照组（32.1%）提升113%
- 血管生成分析（CD31标记）显示，pTS-40组21天时微血管密度达58.7个/mm2，较对照组提升42%

（2）**止血性能**：
- 尾静脉闭合实验中，pTS-40组1分钟内完全止血，凝血时间缩短至2.3±0.5分钟（对照组5.8±0.9分钟）
- BCI凝血指数从对照组的3.2降至1.8（pTS-40组）

**6. 技术优化方向**
（1）**网络结构优化**：建议开发梯度多孔结构（孔径分布50-500 nm），以平衡药物缓释（小孔）与力学支撑（大孔）需求
（2）**降解可控性**：当前材料7天降解率仅8.3%，可通过引入降解敏感型交联剂（如酶响应型二醇）实现可设计降解
（3）**跨组织应用拓展**：初步测试显示pTS-40对猪真皮粘附强度达57.8 kPa，但需验证其对黏膜组织（如口腔）的适用性

**7. 理论创新价值**
（1）**揭示双交联协同效应**：首次证实化学交联密度（pTA分子量）与物理交联强度（β-片晶含量）的负相关性，建立"自聚时间-机械性能"优化模型
（2）**动态氢键网络理论**：提出"可逆交联-能量耗散"机制，解释材料在拉伸过程中G'与G''的协同演变规律
（3）**仿生设计范式**：为开发新型生物粘合剂提供结构设计框架，特别是将蜘蛛丝的"刚性-柔性"结合特性转化为可调控材料参数

该研究为湿环境生物粘合剂开发提供了创新解决方案，其制备方法（TA梯度自聚）和性能调控机制（β-片晶含量-机械强度关联）对后续仿生材料研发具有重要指导意义。特别是在口腔外科、皮肤伤口修复等临床场景中，pTS-40展现出显著优于传统敷料的性能优势，有望成为新一代生物密封材料的候选方案。