可应用于外科手术的多肽生物“胶水”

外科手术中，把断裂、破裂的血管接起来一直是“针线活”，但缝合术不适合特别细小的血管。“生物胶水”是美国研究人员新发明一种方法，用“生物胶水”能把细小血管粘接起来，并且能避免缝合术的一些副作用。 生物医学胶水的开发是一项重要但具有挑战性的任务，因为需要将看似相互排斥的特性结合在一种材料中，即强粘附力和对愈合组织重塑过程的适应性。

清华大学化学系研究团队就生物医学胶水材料进行研究，并在《Nature》报告了一种具有高粘合强度的生物相容性和可生物降解的蛋白质基粘合剂。该研究成果以“Ultra-strong bio-glue from genetically engineered polypeptides”为题发布。

当前能够在干燥和潮湿条件下使用的强力胶在许多技术和临床应用中发挥着重要作用。传统上，聚合物粘合剂通过涂覆凹凸不平和延迟粘合剂接头的断裂来进行高粘合强度。这个是通过反应性单体的原位聚合或交联来实现的，反应性单体形成永久的、非适应性的共价键或网络。

近期，又出现了一种基于超分子界面键形成的胶水，如邻苯二酚或主客体基序。但它们在环境条件下附着力不够强，而且往往难制备或有刺激性成分。所以在生物医学中使用的胶水中尤其应避免使用，并且在实际应用中还需要考虑可生物降解性。

生物可降解性可以通过利用生物大分子作为粘合线来实现，因为它们在合理的时间尺度上通过生化过程降解。伤口愈合就是一个典型的例子，蛋白酶在基质微环境中上调，并主动降解外源性实体和天然成分。

目前已经开发了几种基于弹性蛋白的粘合剂、血液来源的纤维蛋白密封剂和其他天然来源的粘合剂基质，但需要通过加热或紫外线照射进行费力和耗时的预处理以引发共价键的形成，从而有可能对受创组织造成二次损伤。此外，现有的生物胶溶液，如蛋白质或基于多肽的结构，坚持仅不充分到基底上(即，软组织)和/或适度促进伤口闭合和自然愈合过程。最终，再生医学的理想粘合剂应将生物相容性和可降解性与高粘合强度相结合，但仍具有适应性和灵活性，以应对运动细胞动态改变其位置和结构顺序的重塑组织。

为了应对生物医学胶水的种种技术壁垒，研究人员研发出了一种用于体内组织工程应用的一系列基于增压多肽的粘合剂的设计。这种粘合剂是通过阳离子多肽和阴离子芳族表面活性剂的静电络合形成的，避免了在胶合过程中形成共价键。非共价键的良好平衡组合产生超高断裂强度，超过已知的基于蛋白质的粘合剂一个数量级。结果，外部皮肤伤口和内部器官缺损被快速封闭，同时伤口愈合速度加快。

这种具有高粘合强度的生物相容性和可生物降解的蛋白质基粘合剂，在硬质基材上的最大强度达到 16.5 ± 2.2 MPa，比其他蛋白质基粘合剂高至少一个数量级。此外，在软组织上的强附着力使粘合剂成为优于某些商业产品的生物医学胶水。在粘合过程中无需形成共价键即可实现稳健的机械性能。由阳离子超荷电多肽和阴离子芳香表面活性剂组成的复合物，赖氨酸与表面活性剂的摩尔比为 1:0.9，由多重超分子相互作用驱动，从而实现如此强的粘附。与手术伤口闭合相比，这种胶水在体外和体内的强大性能，可用于美容和止血应用以及加速伤口愈合。

参考资料：Ma, C., Sun, J., Li, B. et al. Ultra-strong bio-glue from genetically engineered polypeptides. Nat Commun 12, 3613 (2021).