Science新发现：甩不掉，撕不开的“鼻涕虫”竟为医用神器！

2017-08-09 10:31 来源:科学人

原标题：Science新发现：甩不掉，撕不开的“鼻涕虫”竟为医用神器！

作者：巴利斯坦

小时候我们都嫌弃过跟在屁股后面一步不离的弟弟妹妹们，管他们叫做“小鼻涕虫”。小鼻涕虫们总是奶声奶气，哭哭啼啼，而且还……怎么也甩不掉。

今天要介绍的这种新型材料，就是科学家从“甩不掉”的鼻涕虫身上得到的灵感：就在上个月，《科学》（Science）杂志报道了一种能用在湿滑的生物体表面，甩不掉、扯不断的医用粘合材料[1]。

加了绿色染料的粘合材料样品，研究人员把它卷成了鼻涕虫的形状，看上去就像是蠕虫形状的软糖。图片来源：参考文献[1]

粘合剂的工作原理，就是在两个界面之间构建各种各样的作用力，把这两个界面粘在一起。界面间的作用力主要有这么几种：

一种是化学键，这种作用力比较强，但粘合剂撕下来的时候会扯开化学键，破坏表面；

另一种是非化学键，利用物理的相互作用（静电吸附、范德华力等），不破坏表面，但是作用力也相对弱一点[2]。

在生物组织表面作用的粘合剂，原理也不外乎是以上两大类，但还有些其他的要求：

首先，粘在湿乎乎的表面上不轻易脱落，需要更强的相互作用力；

然后，生物体上作用的粘合剂要适应生物体运动对粘合剂的拉伸，比如肌肉收缩、肺部膨胀和压缩、心脏跳动等等；

最后，粘合剂还不能对生物体产生毒害[1]。

今天要介绍的新型粘合材料，为以上需求提供了一个不错解决方案。

这种新材料由两个部分组成：

一部分是“鼻涕虫涂层”，提供粘合性，负责粘在湿滑的生物体表面“甩不掉”；

另一部分是“基体材料”，提供强度，负责“扯不断”。

贴在猪心上的新型粘合材料。图片来源：参考文献[1]

甩不掉的“鼻涕虫涂层”

先来说说“鼻涕虫涂层”的这一部分：这是提供粘合作用的关键所在。

粘合作用的大小，可以用焦耳/每平方米（J/m2）来表示。它的意义是，把单位面积粘合在一起的界面分开需要做的功。举个例子，软骨和骨组织之间的粘合力有800 焦耳/每平方米，就是一种挺强的粘合作用了。现有的医用粘合剂，粘合作用只有10焦耳/每平方米左右。要提高粘合作用，就要增强粘合剂和粘合表面之间的作用力。

科学家们从鼻涕虫爬行的行为和环境得到灵感，从一种鼻涕虫（Arion subfuscus）分泌的粘液中，发现了一种能显著增强鼻涕虫和爬行表面之间粘合作用的蛋白质[3]。

这种蛋白质增强粘合的原理来自两方面：

一方面是静电吸附——这种蛋白上带正电荷，可以和带负电荷的细胞形成静电吸附，正适用于生物体的器官和组织表面；

另一方面是化学键的形成，蛋白质上的一些氨基酸会和粘合表面形成共价键——双方各派出几个原子，共享几对电子，进一步提高粘合性。

扯不断的“基体材料”

粘合表面完成了，接下来要解决的就是“基体材料”的部分。

基体材料有两个要求：

首先是要和粘合层结合紧密在一起。有的商标撕下来以后残留在表面的那一部分，就是粘合剂和基体结合得不好。

二是要具有良好的柔韧性，应对不断运动的肌肉和组织表面。

这两个方面是相辅相成的。比如，一块粘在心脏表面的材料，它的形状要像弹簧一样，能随着心脏的收缩和舒张变化。心脏舒张，材料伸长、舒展；心脏收缩，材料还得能回弹，缩短。基体和粘合涂层结合不紧密，或者基体本身不够柔韧，都有可能导致粘合材料不能适应心脏的形状变化，从表面脱落，甚至可能损伤心脏。

科研人员在众多的高分子材料中选出了一种强度、柔韧性、生物相容性等性能都合适的凝胶材料作为基体。它的微观结构是由海藻酸盐和聚丙烯酰胺两种分子手拉手形成的交联网络。这种凝胶网络就像是弹簧，当外力袭来，凝胶网络通过变形吸收大部分能量；外力消失，网络又会弹回原状[1]。网络内部的海藻酸盐和钙离子形成的化学键断裂也能吸收能量，增强了它的强度。