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儿茶酚-胺化学，受贻贝水下粘附关键成分的启发足蛋白，已被用于开发用于生物医学应用的儿茶酚共轭聚合物水凝胶。然而，传统的氧化交联水凝胶形成的邻苯二酚共轭聚合物仅在碱性pH条件下具有活性，这限制了基于邻苯二酚的水凝胶在非碱性环境中的可用性。
为了使其能够在各种反应性pH条件下实现强大的水下粘附
，来自
韩国延世大学的Seung-Woo Cho团队
设计了一种pH通用儿茶酚胺化学，通过部分氧化后透明质酸（HA）的开环反应将醛部分引入HA主链来实现
。醛的存在为儿茶酚修饰提供了一个额外的位点，该位点不同于 HA 骨架中的羧基。因此，多巴胺可以与醛修饰的HA中的羧基和醛基结合。相关研究成果以
“pH-Universal Catechol-Amine Chemistry for Versatile Hyaluronic Acid Bioadhesives”
为题于
2022年8月21日
发表在
《Small》
上。
图1 基于儿茶酚胺化学在通用pH条件下实现粘附性
与仅具有非反应性酰胺键的传统儿茶酚缀合HA（HA-CA）水凝胶（图1）相比，与儿茶酚（AH-CA）缀合的醛改性HA具有稳定的酰胺键和活性仲胺，允许在从酸性斑块到碱性海水的各种pH条件下进行各种化学交联反应。这种仿生设计概括了由儿茶酚和胺介导的复杂化学相互作用，具体取决于贻贝足蛋白的pH条件。
AH-CA水凝胶具有更好的粘附性、更快的凝胶化和与pH值无关的多功能应用（向酸性组织输送药物、与pH值无关的组织密封和止血），这是以前报道的HA-CA水凝胶难以实现的。
1. AH-CA水凝胶的合成和表征
AH-CA是通过HA骨架中的两个连续化学反应步骤合成的（图2a）。首先，醛部分通过HA使用高碘酸盐的开环反应被引入HA主链。然后，多巴胺，一种由邻苯二酚和胺基组成的天然生物分子，通过两种胺束缚模式与AH结合，即碳二亚胺与羧基的偶联反应和与醛基的亚胺形成（席夫碱）反应。
AH-CA偶联物可以在各种pH条件下通过各种氧化偶联反应交联，包括酸性(pH ≈ 2)、中性(pH ≈ 7) 和弱碱性(>7 .4)条件（图2b)，主要归因于AH-CA中化学反应性胺和稳定的酰胺键的共存。
在不同pH条件下交联的AH-CA水凝胶（HA分子量：200 kDa）表现出不同的流变特性。水凝胶的弹性模量与pH值的增加成比例增加（图2d）。
图2 AH-CA水凝胶的合成和表征
2. AH-CA水凝胶的pH依赖性交联的化学分析
为了阐明AH-CA水凝胶的pH通用交联所涉及的化学机制，作者比较了AH-CA和HA-CA在酸性(pH 2.5)、中性条件(pH 6.8)和碱性(pH 7 .5)条件下与氧化剂开始交联后的化学反应和氧化产物(图3a-b)。通过UV-Vis和XPS对溶液在不同pH条件下高碘酸钠介导的氧化过程进行了分析，表明
AH-CA中的仲胺部分可以作为反应性胺供体来介导与共轭儿茶酚基团的额外反应
。因此，与AH结合的双模式多巴胺允许在较宽的pH范围内进行复杂的化学相互作用，从而导致AH-CA水凝胶在酸性至碱性条件下有效交联。
图3 通过pH通用儿茶酚胺化学分析AH-CA水凝胶的交联机制
3. 酸性AH-CA水凝胶的应用：胃给药
AH-CA水凝胶在广泛的pH条件下交联的能力使其能够在不同pH的体内环境中进行多种生物医学应用，这是通过pH依赖性交联制备的常规HA-CA水凝胶无法实现的。流变测试表明AH-CA水凝胶的溶胶-凝胶转变和凝胶化在1分钟内完成，即使在酸性条件下也是如此条件（pH 2.5）（图4a）。在使用流变仪进行的粘性测试中，发现
酸性AH-CA水凝胶比在酸性条件（pH 2.5）下交联的HA-CA水凝胶具有更大的表面粘附性（图4c）
。
为了确认其在酸性pH值下的活性凝胶化和组织粘附性，将AH-CA水凝胶离体应用于猪胃组织表面。将胃组织片浸入模拟胃液(SGF, pH=1.2)中并进行预处理，以模拟胃的体内生理状况。
AH-CA水凝胶即使在SGF中也能稳定地粘附在胃组织上，表明它可以在酸性环境中保持组织粘附性。
此外，将AH-CA水凝胶与氧化剂混合并在凝胶化完成前直接注射到小鼠胃中。注射后3小时收获的胃的苏木精和伊红(H&E)染色显示AH-CA水凝胶紧密粘附在胃组织表面上(图4e)。由于
儿茶酚基团具有优异的载药能力，儿茶酚功能化水凝胶已成功用作药物输送系统
。
图4 AH-CA水凝胶在酸性条件下的交联和粘附以及AH-CA水凝胶在小鼠胃中的体内应用
4. 中性AH-CA水凝胶的应用：组织密封剂和干细胞载体
体中的大多数细胞和组织都处于中性pH环境中，因此作者测试了AH-CA水凝胶在中性pH条件下的生物医学应用。
AH-CA水凝胶的细胞相容性通过用条件培养基培养人新生儿真皮成纤维细胞来评估，条件培养基是通过在培养基中孵育中性AH-CA水凝胶来制备的。培养1天后进行的活/死测定和MTT测定表明AH-CA水凝胶不影响细胞活力和增殖能力（图5a-b）。
由于中性AH-CA水凝胶具有优异的粘附性和生物相容性，它还可以被用作高度生物相容性的组织密封剂。
中性AH-CA水凝胶可以有效闭合组织切口以促进伤口愈合（图5d）。纤维蛋白胶，一种代表临床环境的组织密封剂，被用作阳性对照（纤维蛋白组）。密封剂处理一周后，中性AH-CA水凝胶比纤维蛋白胶更有效地介导皮肤切口的完全密封（图5f）。相比之下，中性HA-CA水凝胶不能有效密封切口并促进伤口愈合。
图5 中性AH-CA水凝胶作为干细胞载体和组织密封剂
5. 碱性AH-CA水凝胶的应用：止血剂
最后，作者测试了碱性AH-CA水凝胶的医疗应用。如前所述，大多数儿茶酚共轭聚合物水凝胶在碱性条件下表现出最佳性能，因为它们的反应途径和交联和粘附动力学高度依赖于儿茶酚基团的氧化过程。因此，
碱性AH-CA水凝胶能够被用作止血剂
。此外，AH-CA水凝胶的粘附性使其能够紧密地覆盖出血伤口区域。共轭儿茶酚基团的凝结和粘合剂AH-CA水凝胶的物理阻断协同提高了其止血能力。
小鼠肝出血模型验证了碱性AH-CA水凝胶作为一种高效止血粘合剂在需要快速作用和强粘性的紧急情况下的巨大潜力。
图6 碱性AH-CA水凝胶能够作为止血粘合剂进行超快凝胶化
综上，
本文报道了一种基于pH通用儿茶酚-胺化学的新型HA水凝胶，该水凝胶可以通过双模式儿茶酚与糖开环HA的羧基和醛基结合来简单地实现
。与酰胺键或仲胺同时形成儿茶酚键可以协同促进共轭儿茶酚基团的氧化过程，以进行交联和粘附。
AH-CA水凝胶在广泛的pH条件（pH 2-8）下表现出改进的交联动力学和强大的粘附性，可实现多种应用，例如向胃溃疡输送治疗药物、免缝合伤口闭合、干细胞移植到心脏跳动，肝出血止血。
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