作為一類獨特的高分子材料，水凝膠在從納米到微米各種尺度上具有相互連接的多孔網絡，展現出很多結構衍生特性，包括高表面積，可容納各種填充物，固有的柔韌性，可控制的力學性能以及優異的生物相容性。但由於其聚合物網絡中含有大量的水，形成界面層，阻止水凝膠與基材之間的表面接觸，導致其表面能降低，水凝膠的粘合性嚴重減弱。此外，水分子通過氫鍵與水凝膠中的粘合劑基團相互作用，大幅減少了水凝膠與固體材料之間的界面反應。當將水凝膠應用於大多數潮溼表面（人體，組織和生物膠）生物醫學工程中時，情況將更加複雜。
在潮溼條件下研發粘附水凝膠的技術挑戰類似於海洋生物所需要解決的水下粘附問題，它們可以在動態和湍流的水下環境中實現牢固的界面粘附。3,4-二羥基-L-苯丙氨酸（DOPA）是一種存在於其黏附蛋白中的生物大分子，已被證實能夠促進與基材在水中的粘附。因此作為啟發，使用仿生原理開發新型粘性水凝膠對揭示水下粘合機理具有極其重要的意義，同時亦為新型多功能平臺的設計打開了大門。
成果簡介
東南大學章煒副教授，孫正明教授，華中科技大學趙強教授，滑鐵盧大學趙博欣副教授，密西根州立大學Bruce P. Lee副教授合作在Chemical Society Reviews發表綜述文章“Catechol-Functionalized Hydrogels: Biomimetic Design, Adhesion Mechanism, and Biomedical Applications”。該綜述總結了受貽貝啟發的粘合水凝膠材料，並介紹了三個相互關聯的主題，具體包括：水對水凝膠附著力的破壞機制；仿生大分子DOPA的水下粘附機理；以及粘附水凝膠在生物工程領域的應用。近年來，每個主題都引起了極大的興趣，涉及廣泛而深刻的跨學科挑戰。綜述概述了水凝膠材料在水下粘附中存在的技術困難，著重介紹了表徵水凝膠水下力學性能的相關參數，以及依此建立水凝膠材料的實驗設計和評估方法，並總結了仿生粘性水凝膠的獨特性能、合成方法和製備工藝，提出了水下粘附機理的新見解。
圖文導讀
Figure 1. 基於仿生原理的粘合水凝膠的設計，開發及其廣泛的應用領域。
Figure 2.水凝膠在空氣和水中的界面相互作用。
Figure 3.鄰苯二酚基團在水下粘閤中的多種作用：（a）瞬時粘合，（b）凝聚形成，和（c）溼粘合劑固化。
Figure 4.通過（a）鄰苯二酚交聯，（b）含鄰苯二酚的共聚物的組裝或交聯以及（c）鄰苯二酚-金屬配位化學制備粘附水凝膠。
Figure 5. 用於生物組織粘合劑的仿生水凝膠:（a）具有自修復性能和增強細胞活性的皮膚粘合水凝膠；（b）修復胎膜的親水性粘附水凝膠；（c）基於鄰苯二酚-金屬離子絡合和導電PPy納米粒子用於開發可自愈的導電水凝膠，用於對心肌組織的粘合；（d）用於修復肝組織的可快速凝血水凝膠粘合劑。
Figure 6. 用於藥物遞送的鄰苯二酚官能化水凝膠：（a）含有鄰苯二酚的水凝膠藥物載體表現出增強的粘膜粘附特性。（b）可逆的鄰苯二酚硼酸酯絡合物用於設計具有pH響應的藥物釋放水凝膠；（c）基於鄰苯二酚-金屬離子絡合的水凝膠膠囊。
總結
這篇綜述詳細介紹了基於貽貝啟發的鄰苯二酚功能化粘性水凝膠材料的設計和開發研究進展。通過使用鄰苯二酚官能團設計水凝膠，其與各類表面之間的水下粘附性得以顯著加強，優異的內在特性使粘性水凝膠在各種生物醫學領域中得到了廣泛的應用，包括組織修復和再生，防汙和抗菌應用，藥物輸送以及細胞封裝和輸送等。該領域目前已取得了突破性進展，但仍存在關鍵性挑戰，亟待持續研究。
文獻鏈接：Chemical Society Reviews, 2020, DOI: 10.1039/C9CS00285E
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