以贻贝黏附蛋白为基材的仿生粘合剂功能修饰及粘合机制研究进展*

成昭，王欢，李国伟，桓乐，文汉丽

（1.西安医学院 药学院，陕西 西安710021；2.西京医院（空军军医大学第一附属医院）门诊部，陕西 西安710032）

前言

临床对于创口、伤口的处理措施以缝合、拆线为主，而粘合处理是一种简单易行、干预性及创伤性较小的选择，可有效保护创面、防止感染和促进愈合。以粘合材料进行创口的基本修复、粘接，能够有效阻挡异物和病原体侵入、防止体液流失及急慢性感染等。对粘合材料进行结构修饰后的功能复合型粘合剂，还可针对创伤愈合所经历的炎症期、增生期和重塑期，具有模拟促生及修复功能特性，实现快速止血、防止感染、促进愈合等，已成为近年来仿生粘合材料领域进行材料结构设计与功能修饰的主要关注点。

一般应用环境下，创口闭合、快速粘接与特殊处理需要相应粘合材料具备粘合性能稳定、防水等特性，满足体液环境的湿度要求、克服外界条件的温度变化、实现创口恢复期的最低运动需求。同时，粘合材料的生物相容性也是其进行临床应用需考察的重要条件。传统的化学合成粘合剂固化、损伤或牺牲创口原有功能机制，生物相容性低、免疫反应严重、无法保持创面的湿润[1]、病原体易侵入、不易固定。对此，仿生合成与功能复合的材料应运而生，克服了传统粘合剂的一些缺陷，表现出多种优势，如止血、促进愈合、人体相容性好、毒副作用小、有一定透水性、可减少创面的换药次数[2]等。以聚乙醇酸为基材的可吸收手术缝合线Dexon[3]，以天然生物材料及仿生合成材料为基材，如复合胶原蛋白、壳聚糖、透明质酸等合成得到的粘合修复产品，在人工皮肤、硬组织接合、手术缝合、软组织粘合等领域得到广泛应用。

其中，在以防水粘合为主要关注点的粘合材料研究中，以海洋贻贝黏附蛋白进行结构衍生和仿生合成的粘合材料相继涌现。对贻贝黏附蛋白（Mussel Adhesive Proteins，MAP）（图1）进行仿生合成得到的MAP粘合材料因其优越的防水粘合性能，能够实现体液环境中稳定粘合。因此，针对其在实际应用中所需的止血、修复、促愈等复合功能修饰，是现阶段防水类仿生粘合剂开发的热点。基于MAP仿生粘合剂与功能修饰的已有研究，本论文将从功能修饰及粘合机制方面进行综述。

图1 贻贝足丝结构Fig.1 The structure of the mussel byssus

1 MAP仿生粘合剂的结构设计与功能修饰

医用粘合剂作为三类医疗器械在各种手术中被广泛使用，根据其主要剂型与应用领域，大致分为硬组织粘合剂、皮肤粘合剂、软组织粘合剂，腔体和血管等创口粘合剂等。使用方式主要包括：1）术后接合，实现对临床传统固定及缝合材料或器械（如缝合线、铆钉等）的替代；2）定向注入，实现一定程度的体内聚合，进而引发组织间或组织与非组织（如植入体）间的粘合。相对于传统手术缝合或硬组织固定，医用粘合剂能够实现粘合连接、阻止气体和液体流动以快速闭合创口[4]、有效止血，除此之外，由于基本结构片段进行了功能复合修饰的新型医用粘合剂，MAP还能够作为止血、抗菌和消炎药物的载体实现药物的定点释放[5]，具有使用方便、创伤小、使用过程痛苦小、术后不需要移除和手术疤痕小等优点，临床应用前景广阔。

1.1 结构片段设计与仿生合成

创口愈合过程的阶段性与复杂性对医用粘合材料提出了诸多要求，生物相容性作为首要前提，要求粘合材料具备可调控的粘合强度与粘合时间、粘合材料溶胀率、生物降解/吸收性、无菌及抑菌等特性。对生物粘合剂进行仿生合成，能够基本保证化学合成粘合材料的生物相容性、降低免疫排斥反应。

在MAP粘合材料的仿生合成线路设计中，大部分研究的基本思路是将含儿茶酚片段的粘合功能单元接入聚合物基材。基于贻贝黏附蛋白结构，含儿茶酚片段的粘合功能单元一般设计为多巴（DOPA）或DOPA衍生物如多巴胺，与之反应接合的聚合物基材通常为易加工成型的聚氨酯，接合反应一般为-COOH与-OH/-NH2的酯化或酰化反应（图2）。聚氨酯基材一般经由预聚、扩链两步反应得到，再经偶联反应接合粘合单元、得到目标MAP粘合材料。由于分子多官能团的结构特征、聚氨酯基材与粘合单元均具有一定的设计与修饰特性，能够通过合成反应设计、扩展出种类诸多的仿生粘合材料，调节MAP粘合剂的性能与使用范围，此外，因为聚氨酯基材在材料学领域的可加工特性，还可依据对目标粘合材料的期望性能进行MAP仿生粘合剂的功能复合修饰。

图2 MAP粘合材料的典型合成路线Fig.2 The representative synthetic routes of MAP adhesive materials

1.1.1 基于聚氨酯片段设计

基于MAP基本结构进行仿生合成得到的粘合材料，其结构中的聚氨酯片段较易进行材料工程学加工修饰，使其满足医用粘合材料所要求的一定弹性和机械强度。尤其是进行硬组织粘合时，能够保证创口处正常弹性和形变，维持正常活动，同时快速闭合创口、防止病原体入侵。以缩聚反应得到的聚氨酯，其自身在潮湿环境下可能发生水解，导致其聚合链分解断裂[6]，这一缺陷因为在合成线路中设计了扩链与偶联步骤，对MAP链间交联结构进行仿生合成才得以有效克服。

聚氨酯基材因其材料学可加工的特性，在医用粘合剂的开发中被广泛使用。Rennekampff课题组将仿生合成得到的聚氨酯材料加工成膜，在聚氨酯单层薄膜上复合角质细胞作为伤口敷料，在表层伤口的修复中取得显著成效[7]。Yoshiharu Kimura课题组将偶氮基团引入聚氨酯进行结构改性修饰，既增强了聚氨酯的材料加工性能，也有效提高了其在生物应用时的可降解性与控释性能[8]。

1.1.2 基于DOPA片段设计

DOPA结构中的儿茶酚即邻苯二酚片段，是MAP粘合材料中的粘合功能单元。儿茶酚片段能够通过在水溶液中的离解与带电特性，以及与Fe3+等离子的作用，实现与岩石、钢铁、玻璃等多种材料的表面粘合，还可通过一系列氧化反应完成聚合物链的链间交联、实现反应型的聚合粘合。在材料学领域与工业生产中，因DOPA水环境离解的粘合特性，常被用于参与聚合物合成、以增强潮湿环境下的粘合性，是一种常用的聚合单体。

此外，儿茶酚片段还能够有效提高生物相容性、改善材料水溶性，并通过材料的带电性质与血液中的离子作用促进凝血。借助儿茶酚片段中多官能团的化学反应特性能够有效引入抑菌活性结构，进而使MAP粘合剂表现出抑菌性和防生物污损特性[9～11]，这种止血、抑菌特性非常适用于作为皮肤敷料[12～14]。以材料学参数进行其性能评价，DOPA表现出耐腐蚀性以及随温度变化的材料学稳定性，具有极端环境温度变化下的适用价值。

1.2 功能复合修饰

基于化学来源或改性的粘合材料，天然物质的引入或复合常常能够使粘合剂的部分或整体性能得到显著提升。针对不同部位特殊需求或是应用于特殊环境下的前提要求，如快速愈合、维持正常弹性、保证基本运动需求、避免粘合创口硬化等，在仿生合成得到的粘合剂基材基础上，进一步进行凝血、防过敏、抑菌等功能性复合修饰，得到多种新型功能复合型粘合材料，可有效扩展其应用领域。

针对粘合材料的功能修饰，目前集中于止血[15,16]、抑菌闭合[17]、药物控释/靶向给药[18,19]三类。作为术后创口的闭合手段，或突发情况的应急处理手段，复合上述功能特性后，粘合材料将会很大程度上取代传统的缝合拆线，避免运动受限、炎症反应、肉芽增生、瘢痕组织等，最大限度地降低患者痛苦。

以纤维蛋白复合修饰的粘合剂，聚焦于手术止血及提高凝血功能，已发展得较为成熟。由于提取自动物血液，因此保证了纤维蛋白良好的生物相容性。从20世纪初被用于外科手术止血[15]，再经复合粘合剂修饰后被用于神经组织粘合修复、移植皮肤固定[16]，发展到较成熟的血浆纤维蛋白医用粘合剂产品、酶粘合剂产品，如Tisseel、Vitagel、Evicel等[20,21]，表现出优良的可降解性、生物相容性，具有显著的止血、促进血管生长及修复功效。

以葡聚糖改性、复合修饰的粘合剂，极大地促进了止血、抑菌功效，具有天然的生物相容性与生物可降解性。研究显示[17]，逐步引入多糖单元的粘合材料聚合技术，能够极大地增加聚合物基材医用粘合剂的水溶性，强化了止血与抑菌功效；而以明胶降解产物进行复合修饰的聚氨酯基材，无毒性，抑菌止血性能优良。

此外，将壳聚糖、淀粉、明胶、海藻酸钠等天然大分子材料用于医用粘合材料修饰的研究工作显示，上述功能性复合修饰对粘合剂生物降解性能、材料机械性能、吸附/释放等转运性能表现出积极的促进作用。

1.3 其他材料学修饰与参数评价

用作医用粘合剂之前，仿生合成的粘性材料还需进行材料学领域的改性修饰与参数评价，评价其机械强度、吸水率、溶解性能，以及针对使用时可能出现的温度、pH值变化及多种离子共存等复杂环境，进行粘合基材的氧化性、温度骤变时的机械强度与流变性质、较大湿度下应用时的粘合、形变性能分析，以充分评价其作为医用粘合剂的适用性。

2 MAP仿生粘合剂的粘合机制

2.1 防水粘合特性

水相对于粘合剂是一种弱界面层，或者称为界面层污染物。由于介电常数、氢键等因素的影响，人工合成粘合剂的粘合性能在水体系中显著弱化，而海水中电解质离子的存在对粘合作用的限制更强。如何克服界面水层对粘合的影响，尤其是在生物环境中如何达到高强度的黏附，一直是生物粘合的重要研究课题之一。

在对自然界存在的粘合材料进行仿生合成研究中，发现即使在水流速度很快的海水中，贻贝也能够依靠足盘实现对多种材料的牢固黏附，如礁石、船体、养殖网箱等各种金属、非金属、有机物、无机物材料等。这种在潮湿环境下的粘合性能，归因于贻贝黏附蛋白MAP，并被认为是最符合临床需求的组织粘合剂之一。MAP粘合范围广、粘接强度高、粘合速度快、粘合能力和寿命不受水和低浓度盐影响，且无化学刺激、无放热反应、生物亲和性良好。因其粘合性、材料弹性对温度变化表现出的稳定性，MAP应用于生物组织粘合时，不会导致闭合后的切口或创口硬化，并能保持皮肤弹性，因此适用于粘膜组织、皮肤组织、骨骼[22,23]、软组织等的手术切口[24～26]和创口[27]的粘接等。

以材料学参数来考查，MAP还具有相当的稳定性和可加工性。MAP可被加工为纳米薄膜，表现出黏附范围广、对粘附面要求低、黏附速度快等特性，其半固化后形成的膜透明、透气、防水、有弹性，成膜后材料化学特性稳定，耐强酸强碱及高温、亦可防止微生物的侵害和腐蚀。此外，形成MAP薄膜时，其等电点大于8，生理条件下该薄膜带正电荷，表现出较好的电化学性，具有以离子吸附原理促进愈合的潜在功效。

利用MAP生物相容性强的特点，还可进行生长因子引入等复合功能修饰，促进创口、伤口中后期修复，以及调控抑菌、止血性能等。

2.2 DOPA粘合机制

MAP粘合材料中，粘合片段DOPA的化学结构表现出很强的可修饰性，可通过多种类型的反应实现粘合与交联固化（图3）。应用于生理环境下的粘合过程时，DOPA主要发生两种机制的粘合作用：（1）离子吸附型或还原反应型的表面粘合；（2）氧化反应型的聚合黏附。

图3 儿茶酚的可能粘合机制Fig.3 The possible adhesive mechanism of the catechol

DOPA结构中，儿茶酚片段在水溶液中的解离，会对体液中离子产生吸附作用，发生离子吸附型表面粘合。具体可能涉及静电吸附型的促愈、与血液中金属离子络合形成凝胶从而迅速封闭受伤血管等作用机制。Bilic等[28]合成了邻苯二酚基团的组织胶粘剂，在体外实验中能与被粘组织形成非破坏性、无毒的有效吸附粘合；Choi等[29]用络氨酸酶处理络氨酸残基得到的类DOPA修饰物经过与Fe3+的络合制成水凝胶，能用于外科手术的止血。

另有部分DOPA分子被氧化成多巴醌（DOPA quinone），多巴醌再进行重排、脱氢，形成脱氢多巴（Dehydro DOPA），进行进一步交联、发生聚合黏附。Brubaker等[9]合成了MAP粘性溶胶，溶胶状态的粘合剂在活体内的黏附可维持1年以上；由DOPA参与聚合而成的超支化聚β-丙烯酸盐聚合物（PDA）作为一种医用粘合剂，被广泛用于外科手术中的密封与止血[26]，这也表明长期稳定的粘合性能与聚合黏附的反应型链间交联是有密切联系的。

氧化态的多巴醌也有可能在邻近还原基团如巯基、二硫键的作用下，经还原反应重新给出儿茶酚的邻苯二酚片段，发生还原反应型的表面粘合。多巴醌的还原性反应产物与常见含有金属Ti的医用植入体及其稳定存在形式TiO2，表现出很强的粘合效果，能够进行针对医用植入材料[30]的粘合应用，且在pH值为7.5时结合效果最强，与血液等体液环境的pH值相符，MAP粘合剂在水系环境的应用前景良好。也有研究进一步证明儿茶酚片段与金属作用的特殊生理性能，显示邻苯二酚基团修饰的左旋糖苷覆盖在金属氧化物的表面时，具有阻止非特异性蛋白吸附的生物防污效果，可用于移植和诊断[31,32]。

此外，DOPA自身具有很高的亲和力与多化学官能团结构，可与有机物、金属等不同材料表面产生吸附和黏附功能，也有研究表明DOPA可能有助于增加黏附蛋白的粘结力，亦能增加贻贝粘附蛋白的内聚力。

3 结语

以海洋生物贻贝黏附蛋白MAP结构为基础得到的粘合基材，其防水性能和仿生合成路径能够有效保证材料在体液环境中的粘合强度、生物相容性和安全性，作为医用粘合材料使用时，相对其它化学合成材料，有效降低了免疫排斥反应，无化学刺激、放热反应等副作用。通过对聚氨酯可加工基材与粘合片段DOPA的有效结构设计，得到能够应用于水环境下与硬组织、软组织、血管、腔体、医用植入体等多种材料表面稳定粘合的医用粘合剂。进行复合功能修饰后，还可兼具促愈、止血、抑菌、药物缓释等功效，加速创口恢复进程。此外，其独特的防水粘合机制也为我们在未来医用粘合剂的研发工作提供了更多借鉴与参考。