用于生物医学应用的氢凝胶与多种聚合物表面共价结合的通用方法

《Advanced Materials》：Universal Method for Covalent Attachment of Hydrogels to Diverse Polymeric Surfaces for Biomedical Applications

水凝胶因其生物相容性和模拟细胞外基质的能力，在生物医学应用中至关重要，但传统方法依赖化学连接剂且步骤繁琐。本研究提出一种无需化学连接剂的新方法，通过大气压等离子体喷射（APPJ）生成活性氧物种（ROS），结合蒸发诱导增强浓缩（EIEC）策略，实现水凝胶与多聚物表面的直接共价键合。实验表明，该技术可在湿态下达到60 kPa的附着力，且适用于多种水凝胶（如GelMA、壳聚糖）和多聚物（LDPE、PCL、PTFE）。细胞实验验证了其生物相容性，hMSCs和巨噬细胞均未出现显著毒性或免疫反应。该方法简化了工艺，避免了传统化学连接剂的毒性问题，并具有广泛的应用潜力，包括植入器件、伤口敷料和3D生物打印。

　　这项研究探讨了一种新颖的、无需化学试剂的直接共价结合方法，用于将水凝胶与聚合物基底结合。水凝胶因其良好的生物相容性和仿生特性，在生物医学领域具有广泛的应用前景，如植入式设备、伤口敷料、诊断工具、软体机器人和3D生物打印等。然而，传统的水凝胶与固态材料结合方法通常依赖于复杂的化学连接剂，这不仅增加了制造过程的步骤，还可能带来细胞毒性风险，限制了其大规模生产和实际应用的可行性。因此，开发一种简单、安全且高效的方法，以实现水凝胶与聚合物表面的稳固结合，成为当前研究的重点。

该方法的核心在于利用大气压等离子体喷射（APPJ）生成的活性氧物种（ROS）作为连接介质。通过APPJ处理，聚合物表面可以引入多种含氧官能团，如羟基（C─OH）、环氧基（C─O─C）、羰基（C═O）和羧基（COOH），这些官能团具有高反应活性，能够与水凝胶分子中的氨基（NH?）或其他反应性基团发生共价键合。这种方法的优势在于其无需化学连接剂或引发剂，简化了制造流程，同时避免了传统化学修饰可能带来的副作用，如细胞毒性，从而为生物医学应用提供了更安全、更环保的解决方案。

为了进一步提高水凝胶与聚合物表面之间的结合强度，研究者采用了一种“蒸发诱导增强浓度”（EIEC）策略。该策略通过控制溶液的蒸发过程，使得水凝胶单体在表面的浓度逐步增加，从而提高了共价键的形成概率。EIEC方法能够显著增强水凝胶层的厚度和结合强度，使得最终形成的水凝胶层在湿润条件下具有高达60 kPa的粘附强度，这在生物医学应用中具有重要意义，因为它能够确保水凝胶在生理环境中的稳定性和功能性。

此外，研究还探讨了溶液pH值和离子强度对水凝胶共价结合的影响。通过调节这些参数，可以优化水凝胶分子与ROS基团之间的相互作用，从而增强结合效率。例如，当使用正电荷的明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）在pH 7下进行处理时，其与ROS基团之间的结合强度显著高于在pH 12下的情况。这表明，通过调整pH值，可以有效地控制水凝胶与聚合物表面之间的电荷相互作用，进而影响共价键的形成。

实验结果表明，通过APPJ-EIEC策略形成的水凝胶-固态复合结构（HSH）在多种聚合物基底上表现出了优异的结合性能，包括低密度聚乙烯（LDPE）、聚己内酯（PCL）和聚四氟乙烯（PTFE）。这种结合方式不仅适用于GelMA，还适用于其他类型的水凝胶，如壳聚糖（chitosan），显示出其广泛的适用性。实验中使用了多种机械测试方法，如剥离测试、拉剪测试和刮擦测试，来评估水凝胶在干燥和湿润状态下的粘附性能。测试结果表明，水凝胶在APPJ处理后的聚合物基底上表现出更高的粘附强度，且能够经受住长时间的水洗和物理损伤。

从生物相容性角度来看，该方法在细胞实验中得到了验证。通过在APPJ处理后的聚合物基底上培养人类间充质干细胞（hMSCs）和THP-1来源的巨噬细胞，研究人员发现这些细胞在水凝胶-聚合物复合结构上具有良好的存活率和低免疫反应。这表明，该方法不仅能够实现水凝胶的稳定结合，还能够维持其生物相容性，为未来的组织工程和生物医学设备开发提供了重要的支持。

值得注意的是，该方法还具有高度的可扩展性。由于其不依赖于复杂的化学修饰过程，因此可以在现有的3D生物打印机等先进生物制造设备中实现自动化操作，提高生产效率和一致性。此外，通过调整处理参数，如等离子体喷射速度、溶液浓度和处理时间，可以进一步优化水凝胶与聚合物表面的结合强度和均匀性。

在实际应用中，水凝胶-聚合物复合结构的稳定性是其能否成功应用于生物医学领域的重要因素。通过在湿润条件下进行测试，研究人员发现这些结构在长时间浸泡后仍然保持良好的粘附性能，表明其具有良好的水稳定性。这种特性对于需要长期植入体内或在潮湿环境中工作的生物医学设备尤为重要，例如人工组织、药物输送系统和可降解材料等。

该研究的创新之处在于，它提供了一种无需化学连接剂的水凝胶与聚合物基底结合的新方法。这种方法不仅简化了制造流程，还减少了对细胞的毒性影响，同时提高了水凝胶的结合强度和生物相容性。此外，EIEC策略的引入使得水凝胶能够在不同的聚合物基底上形成均匀且坚固的层，这为未来的多功能生物材料设计和制造提供了新的思路。

从技术角度来看，APPJ处理能够生成大量的ROS，这些活性物质不仅能够与水凝胶分子发生反应，还能通过改变聚合物表面的电荷分布，促进水凝胶分子与表面之间的结合。通过调整溶液的pH值和离子强度，可以进一步增强这种结合效果，从而提高最终材料的性能。这种方法的通用性也得到了验证，因为它适用于多种水凝胶和聚合物基底，表明其具有广泛的应用潜力。

总的来说，这项研究为水凝胶与聚合物基底的结合提供了一种新的、高效的解决方案。通过APPJ-EIEC策略，水凝胶可以在无需化学连接剂的情况下实现稳固的共价结合，同时保持其生物相容性和功能完整性。这一突破不仅推动了生物制造技术的发展，还为未来的生物医学应用提供了重要的理论支持和技术基础。