机器人技术、手术器械和体内实时成像的进步使得将各种手术转换为微创手术成为可能。然而，对于许多需要重新连接组织或连接假体材料的外科手术来说，目前还不存在微创手术方式。缝合是一种苛刻的技术，可能会因深刺而导致局部组织损伤。在某些情况下，伤口愈合后将其移除也会造成伤害。组织粘合剂有可能减少手术的危害，减少手术时间，改善手术效果。虽然已经开发出有前景的方法，但用于伤口闭合的组织粘合剂现在主要与缝合线和缝合钉结合使用。长期以来，研究人员一直在寻找能够承受人体环境的粘合剂。当它们又湿又滑时，很难将它们“粘合”在一起。水充当粘合剂和组织之间的边界层，防止形成粘合。内脏器官（如胃肠道和肺）表面的粘膜也可作为粘合剂的屏障。一些组织也会不断改变形状，例如跳动的心脏或呼吸隔膜，这使得粘合组织很难实现。实现粘合的一种方法是用官能团（如胺、羧酸和硫醇）对粘合剂进行化学改性。然后，肽偶联反应可以在改性粘合剂和组织蛋白质之间形成强键。开发这种粘合剂的挑战包括：在外科手术的时间窗口内定时化学反应；根据特定组织的化学性质调整粘合剂的性质；需防止未反应残留物、降解或反应副产物引发的炎症；并确保生成的粘合接点能够承受拉伸。鉴于此，加拿大麦吉尔大学李剑宇、苏黎世联邦理工学院Outi Supponen等人介绍了一种超声(ultrasound, US)介导的方法，以增强软水凝胶在各种组织上的粘附性能。
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粘合接点的韧性以破坏它所需的能量为特征。粘合接点越能拉伸和吸收能量，就越难断裂。拉伸降低了每单位面积的力，从而降低了粘合接点失效的可能性。增加韧性的一种有效方法是将聚合物链互锁到基材中。这种设计原理利用了生物组织和水凝胶的粗糙度和相对渗透性，采用了一种称为拓扑粘附的方法。该技术依赖于首先将聚合物链扩散到组织基底表面，然后通过操纵环境条件诱导聚合物链和基底之间形成强烈的链间相互作用。聚合物链的平均尺寸和浓度、对溶剂和底物的亲和力以及聚合物链之间的相互作用都是实现有效互锁的重要参数。例如，壳聚糖等对 pH 敏感的天然聚合物可在低 pH 时扩散到生物组织中，并在较高 pH 时形成强氢键。在这种方法中，水不再被认为是对粘附的阻碍，而是有助于促进聚合物扩散到组织中。尽管如此，组织内聚合物链相对缓慢的扩散限制了粘附过程的速度。基于这些考虑，研究人员通过使用超声波推动聚合物链更深更快地进入生物组织，提出了拓扑粘附概念。US介导的生物粘附分两步实现。首先，研究人员使用超声波换能器（20 kHz）将US应用于涂抹在组织基质（例如，新鲜切除的猪皮）上的锚定剂的底漆溶液或悬浮液。其次，研究人员用水凝胶贴片覆盖治疗区域，这会触发界面锚定剂的凝胶化。作为一个模型系统，研究人员分别部署了壳聚糖溶液和聚丙烯酰胺-海藻酸盐（PAAm-alg）水凝胶作为底漆溶液和水凝胶贴片。通过机理研究表明，超声波通过产生空化微泡，推动引物分子进入组织，形成强大的机械互锁。除了这种缠结，引物聚合物链还与周围组织形成静电、疏水或氢键。这种拓扑和物理亲和力的结合导致水凝胶和组织之间的强粘附，而无需化学反应。通过剥离试验测量了水凝胶与组织之间的粘附能。通过 US 处理，在猪皮肤上获得的粘附能量约为 1750 J m-2，> 15 倍于非 US 对照。粘附能在一分钟内达到~100 J m-2，然后在 10 分钟内达到稳定。锚定剂对于强生物粘附至关重要，因为仅用磷酸盐缓冲盐水代替它会产生较弱的生物粘附，即使使用US处理也是如此。粘附性能取决于水凝胶贴片和底漆溶液之间的 pH 值差异，但与组织基底上的血液暴露无关。研究人员还使用了类似于牙科诊所使用的超声波洁牙机（20 至 35 kHz），以通过US处理在猪皮肤上获得坚韧的粘附力（~800 J m-2）。该策略适用于多种材料。US的附着力增强通过不同的水凝胶得到证实，包括双网络聚 (N-异丙基丙烯酰胺)-海藻酸盐(PNIPAm-alg) 水凝胶和单网络 PAAm 水凝胶；粘附能的变化可能与水凝胶的整体韧性有关。除皮肤外，该策略还适用于其他生物组织，包括颊粘膜和主动脉。测得的颊黏膜黏附能约为 295 J m-2，主动脉约为 297 J m-2；非 US 条件的值分别为 ~12 和~17 J m-2。在剥离过程中，颊膜从下面的组织中剥离，证明了强生物粘附力，表明粘附力强。组织依赖性粘附性能可能与特定组织的力学和化学性质有关。此外，研究人员在体内用啮齿动物模型验证了 US 介导的生物粘附的安全性和有效性。US介导的生物粘附的多功能性及其在纳米颗粒生物粘附中不可或缺的作用释放了各种材料在强生物粘附方面的潜力。
利用超声增强组织通透性的概念已成功应用于药物递送系统，这可能使临床转化过程更快更容易。在目前的研究中，很明显，组织之间的巨大差异导致粘附策略的有效性存在显著差异。未来的研究应侧重于组织特异性粘合剂的开发。需要更好地了解不同组织（包括受损和患病组织）的机械特性和表面化学，因为这是最常使用粘合剂的地方。此外，特定的粘合剂需要与组织匹配，以便通过细胞或药物输送积极促进修复。通过这种方式，组织特异性生物活性粘合剂可以通过刺激患者身体使用自身系统重建细胞和重建组织和器官来帮助愈合过程。综上所述，研究人员报告了超声介导的生物粘附，以在空间和时间上精确控制水凝胶生物粘附。除了药物洗脱水凝胶外，该策略还可以同时实现蛋白质的强生物粘附和透皮递送。该策略的普遍适用性有望在从可穿戴设备到药物输送等广泛领域产生影响。1. Z. Ma et al., Controlled tough bioadhesion mediated by ultrasound. Science 377, 751 (2022).DOI: 10.1126/science.abn8699https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn86992.Ultra-sounding out a technique that sticks. Science 2022.DOI: 10.1126/science.abq7021https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7021
