【Mater. Horiz.】壳聚糖、单宁酸与 Al³⁺改性聚丙烯酸水凝胶，10 s 水下粘猪皮达 18.1 kPa，30 s 水下自愈，可选择性粘附组织而不粘玻璃

Ctenophore-inspired hydrogels for efficient and repeatable underwater specific adhesion to biotic surfaces

Published: 2026

DOI:10.1039/d5mh01344g

一、研究背景

组织粘合水凝胶在外科伤口闭合领域具备巨大应用潜力，传统组织粘合剂在水环境下容易发生溶胀、失效，界面水层会屏蔽氢键与静电相互作用，极大削弱水下粘接能力；很多现有湿粘附材料还存在粘附非特异性问题，容易粘连金属、玻璃等手术器械，在临床操作中带来器械粘连、操作困难等麻烦。

单宁酸等多酚类物质是经典湿粘附构筑单元，但单宁酸极易被氧化，还会抑制丙烯酸类单体自由基聚合，在体系内高含量下很难实现凝胶化。水母的粘附细胞可以在水下选择性粘附生物组织，对无机基底几乎不产生粘附，为解决上述难题提供了全新思路。

本研究借鉴水母粘附机制，构建聚丙烯酸 / 壳聚糖 / 单宁酸 / Al³⁺多重交联水凝胶。利用多重氢键、静电与金属配位相互作用，同步解决高单宁酸体系聚合抑制、快速水下粘附、可重复粘接、自愈以及生物特异性粘附等多个痛点，制备的水凝胶能够在水下选择性粘附生物组织，对玻璃、金属等非生物基底几乎不粘附，同时兼具优异力学性能、快速自愈、抗菌以及促进创面修复的功能，为医用水下组织粘合剂提供新的设计策略。

二、实验

2.1 实验药品

丙烯酸（AA）、N,N'- 亚甲基双丙烯酰胺（BIS）、过硫酸铵（APS）、壳聚糖（CHI）、单宁酸（TA）、九水硝酸铝(ce{Al(NO3)3·9H2O})；对照实验用到(ce{Fe^{3+}})、(ce{Zn^{2+}})、(ce{Mg^{2+}})、瓜尔胶、多巴胺；生物相关实验：大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）；组织粘附与动物实验采用猪皮、猪肝、猪肌肉、猪肠道，大鼠皮肤用于创面修复模型。

组分作用说明

✅PAA：丙烯酸自由基聚合形成水凝胶主网络，羧基参与氢键、静电以及和金属离子的配位作用，作为整个凝胶网络骨架；

✅BIS：化学交联剂，提供永久共价交联，维持凝胶基本形态，避免凝胶整体溶解溃散；

✅APS：自由基引发剂，引发丙烯酸单体聚合；

✅CHI（壳聚糖）：带有氨基，一方面与 TA 形成氢键与静电作用，保护单宁酸不被氧化，消除 TA 对聚合的抑制效应；另一方面和 PAA、Al³⁺形成离子 / 配位相互作用，提高网络交联密度；

✅TA（单宁酸）：多酚结构，提供大量酚羟基，可与组织氨基、巯基形成动态界面键合，实现水下粘附；同时具备抗菌能力；

✅Al³⁺：金属离子，与 PAA 羧基、TA 酚羟基形成金属配位作用，构建多重可逆非共价键，提升力学强度、抑制溶胀，实现快速自愈。

2.2 实验步骤

1.水凝胶制备：以 AA 单体为原料，BIS 作为化学交联剂，APS 作为自由基引发剂，在体系内加入壳聚糖、单宁酸、硝酸铝，构筑多重交联网络。代表性配方 P-0.08Al-0.3C-0.3T，前驱液含 0.08 g (ce{Al(NO3)3·9H2O})、0.3 g 壳聚糖、0.3 g 单宁酸。调控 CHI/TA 质量比，制备多组对照样品；同时替换金属离子（(ce{Zn^{2+}})、(ce{Mg^{2+}})、(ce{Fe^{3+}})）、用瓜尔胶替代壳聚糖，验证各组分作用。

2.自愈与水下粘附测试：将水凝胶样品对半切断，在空气 / 水下直接贴合，轻压 10 s 完成界面接触，评价自愈性能；水下猪皮粘附实验分别在 10 s、30 s、10 min、30 min、3 h、24 h 不同接触时间测试粘接强度；配置尿素、乙醇、酸碱等多种溶液，模拟不同体液环境，测试凝胶粘附稳定性。

3.抗菌与动物创面实验：将水凝胶与 E. coli、S. aureus 共培养，通过菌落计数评估抗菌效果；将水凝胶作为创口贴，覆盖大鼠皮肤切口，连续观察 7 天，取样做 H&E 组织切片分析。

2.3 测试表征方法

1.FTIR：表征 PAA、CHI、TA、Al³⁺之间相互作用，验证多重键合网络形成；

2.SEM：观察水凝胶断面微观孔结构；

3.单轴拉伸测试：获取拉伸强度、断裂伸长率、断裂能；对自愈后样品再次拉伸，计算力学性能恢复率；

4.搭接剪切测试：测定空气、水下条件下，凝胶对玻璃、钢、猪皮、脏器组织的粘附强度；

5.CCK-8：细胞相容性评价；

6.菌落计数：评价对 E. coli、S. aureus 的抗菌活性；

大鼠创面切片、H&E 染色：评估创面缺损修复、表皮与真皮再生能力。

三、结果与讨论

图 1｜水凝胶的设计原理与分子网络机理示意图本图展示单宁酸抑制聚合的机理，以及 PAA/CHI/TA/Al³⁺多重交联水凝胶的构筑过程。单宁酸本身会捕获自由基，抑制丙烯酸单体聚合；壳聚糖可以和单宁酸形成氢键与静电复合物，保护单宁酚羟基，消除 TA 的阻聚效应，让体系顺利聚合。APS 引发 AA 单体聚合生成 PAA 主链，体系内同时存在 PAA-CHI、TA-CHI、PAA-Al³⁺、TA-Al³⁺等多重氢键、静电作用与金属配位作用，共同搭建动态可逆的水凝胶网络，解释该体系能够兼顾高单宁酸含量与凝胶成型的核心原理。

图 2｜水凝胶的力学性能与自愈性能该组图表对比不同配方水凝胶的拉伸强度、断裂应变、断裂能，以及应力 - 应变曲线，同时展示空气、水下自愈样品的力学恢复效果。最优配方 P-0.08Al-0.3C-0.3T 拉伸强度可达 48.6 kPa，断裂应变 18.7%，断裂能 464.3 J/m²。在室温下仅需 30 s 即可完成自愈，水下自愈后拉伸强度、断裂应变可以恢复至原始样品约 50%，断裂韧性恢复 27%。机理层面，空气中氢键、静电、配位键协同实现自愈；水环境中氢键被水干扰，PAA-Al³⁺、TA-Al³⁺等耐水的金属配位与静电相互作用成为水下快速自愈的核心驱动力。

图 3｜水凝胶的特异性水下粘附性能该图展示水凝胶对不同基底的粘附强度，包含无机材料（玻璃、钢）与生物组织（猪皮、肝脏、肌肉、肠道），同时测试不同接触时间、不同体液模拟环境下的粘附稳定性，以及重复粘接性能。该水凝胶可在水下 10 s 实现对猪皮 18.1 kPa 的粘附强度，30 min 后仍稳定维持在 18.1 kPa；对新鲜肝脏、肌肉、肠道粘附强度分别达到 13.4、9.7、4.4 kPa。而对于玻璃、塑料、金属等无机基底，几乎没有水下粘附效果，实现 “只粘生物组织，不粘无机材料” 的特异性粘附。该凝胶可重复粘接至少 5 次，在尿素、乙醇、酸碱等多种模拟体液环境下，粘附性能保持稳定。

图 4｜水凝胶的细胞相容性、抗菌能力以及体内创面修复效果图中包含 CCK-8 细胞活性测试、细菌菌落计数结果、大鼠皮肤创面愈合照片，以及 H&E 组织切片染色结果。细胞实验证明水凝胶具备良好细胞相容性，细胞活性维持在较高水平；材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌均具备明显抗菌效果。大鼠皮肤缺损实验结果显示，该水凝胶敷料能够有效促进皮肤创面愈合，7 天观察周期内，创面表皮、真皮组织再生更好，炎症水平更低，证实该水凝胶在体内伤口修复方面的应用潜力。

四、全文总结

该研究受水母粘附细胞启发，开发了 PAA / 壳聚糖 / 单宁酸 / Al³⁺多重动态交联水凝胶，解决了高单宁酸体系抑制自由基聚合的难题，实现水下生物组织特异性粘附。

1.机理创新：壳聚糖与单宁酸形成复合物，保护酚羟基、消除 TA 阻聚效应；体系依靠氢键、静电相互作用以及 Al³⁺介导的金属配位键构筑多重可逆网络，在水环境中，金属配位与静电相互作用耐受水分子干扰，支撑水下快速自愈与特异性粘附。

2.材料性能：最优配方水凝胶拉伸强度 48.6 kPa，室温 30 s 快速水下自愈；水下 10 s 即可粘猪皮，粘附强度 18.1 kPa；对生物组织强粘附，对玻璃、金属等无机基底几乎不粘附，并且支持多次重复粘接，在多种模拟体液环境下性能稳定。

3.生物应用：材料具备良好细胞相容性，拥有抗菌活性；大鼠创面实验证实能够有效促进皮肤组织再生，在水下外科组织粘合、创面敷料领域具备应用前景。

4.局限展望：该工作为特异性水下生物粘合剂提供新策略，后续还需要进一步优化力学强度，拓展更多体内复杂水环境下的生物医学验证。

免责声明：

1）本文介绍的研究仅代表原作者观点，不代表本平台立场，敬请读者批判性阅读。

2）此文仅供学术交流使用。若存在侵权问题或文献解读疏漏，我们深表歉意，请及时通过公众号留言或联系邮箱告知，我们将在第一时间进行修改或撤稿，感谢您的谅解。

3）除特别说明外，本文版权归芮进特所有，翻版必究。