粘膜是生物组织中具有保护和润滑作用的屏障，其光滑、柔软、亲水的表面对临床治疗有重要的启示。然而，在复杂的表面模拟粘膜特征仍然是一个巨大的挑战。
四川大学徐家壮课题组提出了一种制备类粘膜保形水凝胶涂层的新方法。首先通过吸收胶束，然后通过界面引发的水凝胶聚合与聚合物底物形成共价连接，得到一种模拟上皮层的薄共形水凝胶层。涂层具有均匀的厚度(~ 15 μm)、与粘膜匹配的柔度(杨氏模量= 1.1±0.1 kPa)和润滑(摩擦系数= 0.018±0.003)、抗剥离界面粘结强度(剥离强度= 1218.0±187.9 J m-2)和较高的吸水能力。它能有效抵抗蛋白质和细菌的粘附而不影响生物相容性。体内食蟹猴模型和临床试验表明，在气管导管上应用类似粘膜的适形水凝胶涂层，显著减少了插管相关的并发症，如有创刺激、粘膜病变、喉部水肿、炎症和术后疼痛。这项工作为生物医学器械表面装饰提供了一个有前景的原型，并为微创介入手术的临床转化提供了广阔的前景。相关工作以“Mucosa-Like Conformal Hydrogel Coating for Aqueous Lubrication”为题发表在最新一期的《Advanced Materials》。其中，2020级硕士研究生白梦涵和广州医科大学Zhao Baisong为本文的共同第一作者。
图1. 保型水凝胶示意图
在这项工作中，研究者提供了一种简单而有效的方法来装饰聚合物表面保形水凝胶涂层，首先沉降一层薄薄的胶束层，然后界面引发水凝胶聚合。这种结构与粘膜相似(图1a)，外层水凝胶层模仿上皮层，通过形成模仿固有层的共价互联紧密地与下层基质(粘膜肌层)相连。观察显示，FBA涂层完全覆盖了气管导管的整个表面，即使是尖锐的喷口(图1c)，这表明提出的方法对复杂形状的设备的适用性。
图2. 粘膜样保形水凝胶涂层的形态结构表征
与原始基材的平坦表面相比，被FBA涂层覆盖的基材呈现出一种波纹形状。界面模糊表现出涂层与基体之间良好的界面相容性，证实了适形装饰的成功。FBA涂层中还有一个厚度为14.4 μm的无氯层，与上皮层有显著的相似之处。附着在基材表面的FDA胶束起着微交联剂的作用，可以与AA单体共聚，形成水凝胶衬里。
图3. 水凝胶机械性能表征
在三种涂层中，制备过程中采用F127附着而非FDA附着的F127BA涂层剥离强度最小(405.3±39.6 J m-2)。这是因为界面粘结的坚固性与FDA胶束形成的弹性交联网络密切相关，其中疏水块在胶束内部聚集，亲水块在胶束外部分布。在局部应力作用下，交联网络发生非弹性变形，然后发生链的劈裂，吸收更多的能量(图3b)。FDA/AA水凝胶充分膨胀后的压缩模量(52.4±2.1 kPa)分别是FDA和F127/AA水凝胶的4.0倍和4.6倍(图3e)。另一方面，F127/AA水凝胶非常弱，而FDA/AA水凝胶的拉伸强度提高了425%(图3f)。
图4. 不同涂层的性能表征
图5. 在实际医疗器械中的适用性
研究者建立食蟹猴模型，观察粘膜样水凝胶涂层对缓解插管相关气道疾病的效果(图5a)。插管时的心率可以立即判断对插管刺激的防御反应(图5b)。未插管组心率急剧增加，最大值144次/min，插管后逐渐恢复到初始状态。BA组心率骤增减弱(最大值132次/min)， FBA组心率骤增明显减弱(最大值114次/min)，表明粘膜样水凝胶涂层有利于低刺激。
图6. 人体插管使用FBA涂层管示意图及性能研究
柔性纤维支气管镜检查显示，与临床常见情况一样，原始组有明显的粘膜损伤和水肿(图6b)。BA组这些症状改善不大。正如预期的那样，FBA涂层有效地减少了与TNF-α、IL-1β和IL-6表达水平最低相关的喉气管病变(图6c)。这些结果与体内动物实验结果吻合较好。
【小结】
受粘膜双层特性的启发，研究者提出了一种巧妙而可行的方法，在聚合物基质上共形构建水凝胶涂层。将吸附在表面的PDA胶束与AA单体交联形成一层薄薄的水凝胶层(厚度= ~15 m)，通过界面引发的水凝胶聚合牢牢地固定在基材上。胶束的存在使弹性交联网络的产生，赋予水凝胶层高的延展性、柔软性和保水能力。它提供卓越的水润滑与稳定的低摩擦性能。类黏膜水凝胶涂层与基材界面结合牢固，防污性能好，在恶劣条件下长期稳定。该策略被应用于通气管理和全身麻醉中最常用的医用耗材气管内管。通过体内食蟹猴模型和临床试验证实，粘膜样水凝胶涂层可显著减少插管相关并发症。因此，该工作为实现仿生表面装饰开辟了一条新途径，并对需要高效水润滑的生物医学设备的制造具有重要意义。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108848
来源：高分子科学前沿
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