本文由Haowei Fang, Tao Wang, Yinan Zhu, Guifei Li, Jingbo Yin, Haiyan Cui, Kunxi Zhang共同完成，于2025年8月2日发表在期刊Small（卷21，期36）上，论文编号为202505959。这是一项关于新型生物粘合剂的原创性研究，其标题为《基于快速分子聚集的硫辛酸衍生物生物粘合剂》。
学术背景 本研究属于生物材料学与医用粘合剂领域的交叉研究。生物粘合剂在外科手术中部分替代缝合、吻合器及电凝，用于粘合组织、促进愈合、止血及防止气体或液体渗漏方面具有巨大潜力。尤其在创伤急救中，理想的粘合剂需要在潮湿环境等复杂条件下实现即时、牢固的粘附，并维持足够的机械强度。α-硫辛酸（α-lipoic acid, LA）是一种生物内源性小分子，其聚合物聚硫辛酸（poly (lipoic acid), PLA）已被证明具有良好的粘附性，并可被赋予抗炎、抗菌等生物功能。然而，传统的PLA粘合剂制备依赖于热、离子或受控自由基开环聚合（ROP），通常需要高温、长时间反应及酸性催化等苛刻条件，且存在聚合条件依赖性强、聚合周期长、聚合物易解聚等问题，限制了其在温和环境下的应用。因此，寻求一种能在温和条件下快速、简便地制备LA衍生物粘合剂的新方法，具有重要的科学价值和临床意义。本研究的目标是，利用LA与其衍生物分子间的超分子相互作用，在室温下无需加热即可实现快速分子聚集，从而制备出具有强界面粘附力、水下粘附及湿态粘附性能的生物粘合剂，并探索一种普适性的策略，将这种小分子聚集体系整合到聚合物多孔支架中，赋予非粘附性材料以组织粘附能力。
详细研究流程 本研究流程主要包括四个部分：新型粘合剂的设计与快速制备、粘附性能的优化与表征、水下及湿态粘附性能评估、以及基于“寄生”策略的多尺度复合粘合贴片的构建。
第一部分：LA/NADP粘合剂的设计、制备与表征。 首先，研究合成了具有末端氨基的LA衍生物N-(2-氨基乙基)-5-(1,2-二硫杂环戊-3-基)戊酰胺（NADP），并通过核磁共振氢谱、傅里叶变换红外光谱和液相色谱-质谱联用进行了结构确证。随后，将LA粉末与NADP水溶液在室温下简单混合，数分钟内即可形成LA/NADP生物粘合剂。研究者通过FT-IR光谱证实了LA的羧基与NADP的氨基之间形成了氢键和静电相互作用。Zeta电位分析显示LA带负电而NADP带正电，进一步支持了静电相互作用的存在。紫外-可见光谱显示，LA和NADP的环状二硫戊烷特征峰在聚集后发生红移，表明存在疏水性聚集。重要的是，尽管没有加热等外部刺激，聚集形成的高密度环状二硫戊烷环境促进了分子间动态二硫键交换反应，紫外光谱在250-300 nm范围的增强峰以及拉曼光谱证实了线性二硫键（寡聚体）的形成。液相色谱-质谱分析证实粘合剂中主要含有LA、NADP单体及其寡聚物，未形成高分子量的PLA。粘附性能通过搭接-剪切测试评估，使用明胶包被的玻片作为基底。结果表明，当LA与NADP质量比为5:5时（摩尔比约1.2:1），LA/NADP粘合剂的粘附强度最高，达到约32.16 kPa，显著高于商用猪源纤维蛋白胶（约9.14 kPa）。断裂测试表明粘合剂发生内聚破坏而非界面脱粘，说明其界面粘附力很强。粘附强度在24小时内随时间增加并趋于稳定，归因于缓慢进行的二硫键交换反应增强了粘合剂的内聚力。此外，研究还合成了带有苯环的另一种衍生物NAPDP，并与硫辛酸钠（LANa）混合制备粘合剂。由于苯环的π-π共轭作用增强了内聚力，NAPDP/LANa粘合剂最高粘附强度可达81.37 kPa，但其强疏水性导致需要较大压力才能与基底充分接触，影响了即时粘附的便利性。
第二部分：引入Zn²⁺优化粘附强度及机理研究。 粘合剂的粘附强度取决于界面粘附力和内聚力。为提高LA/NADP的非共价作用主导的内聚力，研究引入了具有生物功能的Zn²⁺。密度泛函理论计算显示，LA、NADP与Zn²⁺之间的相互作用（键合能）均为负值，表明结合在能量上有利。纳米级分子动力学模拟追踪了LA、NADP和Zn²⁺在水中的自组装过程：模拟开始后，LA和NADP迅速通过疏水作用、氢键和静电作用聚集，并在4纳秒内形成连续的凝聚相，验证了实验观察到的快速聚集现象。实验上，随着Zn²⁺含量的增加，LA/NADP-Zn粘合剂的压缩模量显著提升，质地变硬。搭接-剪切测试表明，随着Zn²⁺含量（摩尔分数0.2%， 1%， 5%）增加，粘附强度先增后减，在Zn²⁺含量为1%时达到最优值约52.71 kPa。分析认为，适量的Zn²⁺通过螯合作用增强了粘合剂的内聚力，从而提升整体粘附强度；但过量的Zn²⁺会螯合过多的羧基，虽然内聚力更强，却削弱了用于界面相互作用的羧基数量，导致界面粘附力下降。综合平衡后，确定最优配比为LA₀.₅/NADP₀.₅/Zn²⁺₁%。对最优配比的LA/NADP-Zn粘合剂进行广泛表征：它可在金属、橡胶、玻璃、聚四氟乙烯及多种组织（肝、肾、心、肺）表面实现即时牢固粘附。T型剥离测试显示其界面韧性达到297 J m⁻²，远高于LA/NADP粘合剂和纤维蛋白胶。爆破压力测试表明其密封性能优异（最高爆破压力19.6 kPa）。此外，该粘合剂还表现出显著的自愈合特性，这源于其内部的动态二硫键和可逆自组装网络。
第三部分：水下及湿态粘附性能评估与在体应用验证。 LA/NADP-Zn粘合剂在水下能立即粘附于玻璃、聚四氟乙烯等多种基底，两个被粘接的配重在水中浸泡60分钟后仍保持牢固结合。在鸡皮和鸡肠切口上的湿态密封实验表明，粘合剂能有效防止漏水。搭接-剪切测试显示，粘合剂在PBS中浸泡后，粘附强度随浸泡时间延长而逐渐下降，这归因于粘合剂吸水溶胀以及LA和NADP单体的持续释放（3周内累计释放约20%）。分子动力学模拟揭示了其水下粘附机制：NADP能绕过基底表面的水分子，通过氢键与亲水性玻璃基底直接接触；粘合剂能有效排开界面水，扩散至基底不规则表面并形成紧密接触。为了凸显本研究方法的优势，研究者对比了另外两种LA基粘合剂：一种是通过加热LA/tris碱溶液制备的PLA水凝胶粘合剂（PLA-gel），另一种是通过LA熔融聚合制备的无溶剂PLA粘合剂（PLA-solvent free）。结果表明，PLA-gel遇水显著溶胀，导致水下粘附失效；PLA-solvent free虽具湿态粘附稳定性，但需要预先将LA粉末与基底结合再加热聚合，无法实现即时、重复及水下粘附。相比之下，LA/NADP-Zn在快速制备、重复粘附、水下粘附、湿态粘附和粘附强度五个方面表现出更均衡的综合性能。
体内实验进一步验证了其湿态组织修复潜力。选择湿润的角膜作为目标，LA/NADP-Zn粘合剂在可见光范围内透光率超过94%，一周后增至约97%，满足角膜缝合要求。在兔角膜板层移植模型中，使用LA/NADP-Zn进行无缝线粘合，术后21天移植片贴合牢固，且粘合剂逐渐降解，为组织整合提供了空间。此外，在大鼠皮肤切口模型中，LA/NADP-Zn处理组在促进伤口愈合、减少疤痕、促进胶原规则沉积、加速血管化进程等方面均优于空白组、缝合组和纤维蛋白胶组。免疫荧光分析显示，LA/NADP-Zn能促进伤口早期巨噬细胞向抗炎的M2型极化（上调CD206，下调iNOS表达），并上调抗炎因子IL-4和TGF-β，下调促炎因子IL-1β和TNF-α，从而创造有利于愈合的微环境。粘合剂释放的LA/NADP单体还显示出抗氧化（DPPH清除）和抗菌（对金黄色葡萄球菌抗菌率约90%）活性，这些生物功能协同促进了伤口修复。
第四部分：“寄生”策略构建高强度复合粘合贴片。 为了使本身无粘附性的生物大分子材料获得粘附性，本研究提出了一种“寄生”策略：将LA/NADP快速聚集体系整合到聚合物多孔支架中。研究者以铈离子（Ce³⁺）交联的海藻酸钠多孔支架（Alg-Ce）作为宿主。首先，通过冻干法获得多孔Alg支架，然后将其依次浸泡在Ce³⁺溶液、LA/tris碱溶液（酸化透析后）和NADP水溶液中，最终得到LA/NADP@Alg-Ce复合粘合贴片。扫描电镜和能谱分析显示，Ce、S元素均匀分布，网络结构致密。这种策略的关键在于，LA/NADP的聚集发生在多孔支架的骨架上，而非与海藻酸大分子简单混合。搭接-剪切测试表明，LA/NADP@Alg-Ce的粘附强度高达约0.6 MPa，是LA/NADP-Zn的10倍以上，LA/NADP的20倍以上。研究证实，多孔支架结构对于提升粘附强度至关重要，其提供了机械支撑并显著增强了复合体系的内聚力。流变测试证实其呈典型固态（G‘ > G’‘）。为了验证该策略的普适性，研究还成功将其应用于透明质酸（HA）、壳聚糖（CS）、明胶（Gelatin）的冻干多孔支架，甚至临床常用的纱布上，制备出相应的LA/NADP@X粘合贴片，均获得了显著高于单纯LA/NADP的粘附强度，且制备过程简单。然而，宿主支架的亲水性和溶胀性会影响其水下粘附稳定性。通过选用具有抗溶胀特性的聚乙烯醇/甲基丙烯酰化明胶（PVA/GelMA）复合多孔支架作为宿主，成功制备了在湿态下仍能稳定粘附的贴片，证明了通过设计宿主性能可以调控复合粘合贴片的最终性能。
主要结论与意义 本研究成功开发了一种基于α-硫辛酸（LA）与其氨基衍生物（NADP）通过超分子相互作用快速分子聚集的新型生物粘合剂制备方法。该方法摒弃了传统LA聚合所需的高温、长时间反应等苛刻条件，实现了室温下的即时制备。所获得的LA/NADP及其锌离子优化版本（LA/NADP-Zn）粘合剂，展现出强大的界面粘附力、优异的水下及湿态粘附性能、良好的生物相容性、抗氧化抗菌功能以及促进伤口愈合的能力。此外，本研究创新性地提出了“寄生”策略，将LA/NADP小分子聚集体系整合到各种聚合物多孔支架中，能够简便、普适地赋予这些原本无粘附性的材料以强大的组织粘附能力，并可通过设计宿主支架的机械性能来调控最终粘合贴片的性能。
这项研究的科学价值在于：1）为生物粘合剂的制备提供了一种全新的、温和快速的超分子自组装思路，突破了传统共价聚合方法的限制；2）深入阐明了LA基小分子通过多重非共价作用及动态共价键协同实现快速、强效粘附的机理；3）提出的“寄生”策略为构建高性能、功能可设计的复合生物材料提供了普适性方法学。其应用价值则体现在：所开发的粘合剂在创伤急救、湿态组织修复（如角膜移植、内脏器官止血密封）、以及可定制化粘合贴片等领域具有广阔的临床转化前景。
研究亮点 1. 方法新颖性： 首创了基于LA与氨基衍生物超分子快速聚集制备生物粘合剂的方法，实现了室温、无需加热的即时制备，颠覆了传统热聚合工艺。 2. 性能优越性： 获得的粘合剂集快速固化、强界面粘附、优异水下/湿态粘附、自愈合、生物功能性（抗氧化、抗菌、促愈合）于一体，综合性能突出。 3. 策略创新性： 提出了“寄生”策略，这是一种将功能性小分子聚集体系与宏观支架材料相结合的多尺度协同组装新概念，具有高度的普适性和可设计性，能简便地赋予各类材料以粘附性，并大幅提升粘附强度。 4. 机理阐释深入： 综合运用光谱学、理论计算（DFT）和分子动力学模拟（MD）等多种手段，从分子层面深入揭示了粘合剂的形成机制、Zn²⁺的增强作用以及水下粘附的微观过程，使研究结论坚实可靠。 5. 验证体系全面： 从体外理化性能测试、细胞实验到在体角膜移植和皮肤伤口模型，进行了多层次、多角度的性能与生物功效验证，为后续应用奠定了坚实基础。