水凝胶无处不在。它们是亲水聚合物，可以吸水和保水，可以在日常消费品中找到，例如软性隐形眼镜、一次性尿布、某些食品，甚至农业应用。由于它们具有高度的生物相容性以及最终降解和重新吸收到体内的能力，它们在多种医学应用中也非常有用。
这些特性使水凝胶能够模拟活组织以进行组织置换或再生。这些应用中最有用的一种是用于愈合伤口。水凝胶是实现此目的的理想选择，因为它们能够保湿并形成潮湿和支持性的环境。这促进了有利于伤口愈合的过程，例如血管形成、死亡组织的分解、免疫细胞的激活、防止活细胞和组织死亡，甚至减轻疼痛。
天然水凝胶，特别是明胶甲基丙烯酰 (GelMA) 水凝胶，由于其生物安全性和卓越的生物相容性而被用于伤口愈合。但是它们的使用受到它们固有的较差机械性能的阻碍，例如有限的拉伸性、相对脆性和不灵活，以及它们无法粘附在组织表面上。为了改进这些特性，已经尝试了制备方法和组分的变化。
制备 GelMA 水凝胶时，通过将明胶混合并溶解在水中制成明胶溶液。这导致明胶聚合物链在水中分散。然后将一种称为光引发剂的化学物质添加到溶液中，使聚合物链变得粘稠，并使它们彼此粘合。暴露在紫外线下会激活光引发剂，并且聚合物链会相互交联以形成网络。水分子进入这个网络，拉伸链条并锁在其中;这说明了水凝胶的吸收能力，并且是凝胶化或凝固发生的点。
这种凝胶的特性可以通过在紫外线照射之前添加与聚合物链结合的化学物质来修改，或者可以改变紫外线参数本身来调整凝胶的特性。在以前的尝试中，已经对这些修改中的一些进行了实验，以改善 GelMA 的物理特性。
一种方法是在交联前向 GelMA 溶液中加入额外的化学物质;所得化学共轭水凝胶在组织粘附方面略有改善。通过用额外的化学品增强柔性薄的化学共轭 GelMA 薄膜，已经进行了其他尝试来增强 GelMA。但是，同时提高 GelMA 水凝胶中的韧性、拉伸性和粘合强度这三种机械性能仍然存在挑战。
Terasaki 生物医学创新研究所 (TIBI) 的一个合作团队开发了一种方法，可以通过可调制造参数的简单程序来改善 GelMA 水凝胶的所有这三种特性。
研究人员首先求助于在自然界中发现的一个例子，以提高水凝胶的粘附力。海洋贻贝分泌强力线，用作附着物和牵引岩石和其他不规则表面的绳索。为了形成这些线，贻贝在酸性环境中产生粘附蛋白;暴露在微碱性海水中后，蛋白质会发生化学变化，从而促进线的形成。
以相应的方式，TIBI 团队在 GelMA 中添加了大量多巴胺(一种贻贝粘附蛋白的化学类似物)，以增加其强度、弹性和粘附性能。他们还将混合物置于碱性条件下，以进一步提高 GelMA 的粘合强度。
结果表明，在 GelMA 溶液中加入大量多巴胺可使所得水凝胶的弹性增加近 6 倍，强度增加 3 倍以上。其他实验表明，当多巴胺在交联步骤之前经受碱性条件时，粘合强度可增加多达四倍，其对剪切力的抵抗力可增加近七倍。
该项目的第一作者 Hossein Montazarian 博士说：“我们进行的实验为激活基于 GelMA 的水凝胶的韧性和附着力的程序提供了宝贵的见解。”
研究人员将继续试验其他化学品，以优化它们对 GelMA 机械性能的影响。这可能会导致其他应用的改进，例如可贴附于皮肤的可穿戴设备或愈合和再生内部植入物。
“在这里获得的关于水凝胶基本机械性能的知识可以对生物医学应用产生深远的影响，”TIBI 董事兼首席执行官 Ali Khademhosseini 博士说。“这是我们生物材料平台产生影响力研究的众多例子之一。”
这项工作得到了美国国立卫生研究院 (1R01EB023052-01A1、1R01HL140618-01) 的资助。
