作者介绍

通讯作者

李敬安 教授

郑州大学

郑州大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，国际先进材料协会等多个国际学术组织和平台会士、中国生物材料学会首批高级会员、中国生物材料学会心血管材料分会常务委员 (第三届，2023~2027)、中国生物医学工程学会介入医学工程分会委员/秘书长/党建联系人 (第五届，2023~2027)、中国生物医学工程学会第十一届理事会青年工作委员会委员、新质力材料发展联盟常务理事 (2024~2027)。先后受邀担任 Discover Applied Sciences 副主编、Advanced Fiber 青年编委、及多部学术期刊编委，任 Advanced Materials 等百余部SCI期刊特邀审稿人，《中国生物医学工程学报》《中国组织工程研究》《表面技术》《中国材料进展》等中文核心期刊审稿人。以第一/通讯作者在 Bioactive Materials、Journal of Magnesium and Alloys 等领域内权威期刊发表百余篇学术论文，其中多篇入选ESI高被引或热点论文。入选2022年World Top 2% Scientists榜单。

第一作者

闵甜甜

郑州大学

郑州大学材料科学与工程学院2022级本科生，中国生物医学工程学会介入医学工程分会学生会员，曾任一项大学生创新创业计划项目负责人。荣获2024“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛河南省金奖、第九届金相技能大赛校级二等奖、郑州大学首届大学生职业规划大赛 (成长赛道) 优秀奖、“郑州大学三好学生” (连续两年)、郑州大学2024优秀学生二等奖学金、郑州大学2023优秀学生三奖学金，以及十余项院级荣誉证书。

文章导读

在海洋环境中，藤壶会分泌一种高度粘附和可交联的藤壶胶，其蛋白质会自行组装成稳定的纳米纤维，从而赋予特殊的水下粘附和固化性能。这使得藤壶可以牢固地附着在海洋中的各种坚硬表面上，且难以去除。藤壶胶蛋白 (BCP) 也因其粘附性、耐水性、稳定性和生物相容性而在生物医学中引起了重大关注，使其成为开发新型生物材料的理想选择。此外，BCP具有伤口愈合加速和抗菌特性，为抗菌生物材料的开发提供了新的见解。

近些年，受藤壶启发的材料在生物医学领域得到了广泛的研究和显著进展。随着对藤壶胶及其粘附机制的了解加深，预计其医疗应用将扩大。本文概述了藤壶仿生材料在生物医学中的最新进展，包括它们在胶粘剂、组织工程、药物递送和止血中的应用，重点介绍了其特点、应用和潜在的研究方向，为该领域的未来发展提供了全面的参考。

主要内容

早期研究主要集中在藤壶胶蛋白的分离、纯化和理化性质分析。随着科学技术的进步，特别是分子生物学和纳米技术的发展，藤壶仿生材料的研究逐渐渗透到分子水平和纳米尺度，为其在生物医学领域的应用奠定了坚实的基础。

藤壶胶是一种由多种高度疏水和糖基化的蛋白质组成的复杂生物粘合剂。在水生条件下，藤壶胶通过蛋白质交联和自组装在水下环境中迅速固化并表现出很强的粘附性。藤壶胶的自组装过程是一个复杂的生化过程，主要依赖于蛋白质-蛋白质相互作用，特别是二硫键的形成，以稳定蛋白质结构和粘附能力。同时，自组装过程涉及蛋白质、结构变化和环境因素之间的复杂相互作用，特别是二硫键的形成。目前，科研学者们已经从藤壶胶中分离出多种具有不同的分子量和功能的蛋白质，包括Mrcp-19k、Mrcp-20k、Mrcp-52k、Mrcp-68k、Mrcp-100k、Balcp-19k和Balcp-20k等。图1展示了藤壶形貌与黏附固化机制的相关信息。

图1. (A) 藤壶黏附实貌；(B) 藤壶结构简化示意图；(C) 藤壶胶黏附机制 [1]

因藤壶的黏附涉及一系列复杂的生物过程，主要包括底物检测、信号转导、藤壶胶分泌和藤壶胶固化，藤壶胶黏附固化机制一直是藤壶研究重点。藤壶胶的黏附作用受多因素影响，如环境pH，基材等。掌握藤壶的黏附机制不仅对控制海洋生物污损具有重要意义，而且为开发基于藤壶胶蛋白的仿生材料提供了新的见解。未来的研究需要进一步揭示藤壶胶蛋白的具体分子机制，探索藤壶仿生材料在生物医学领域的潜力，包括高效的湿粘接、多功能性、生物相容性和可降解性、环境友好性以及工程化生产的可行性。图2显示出了环境pH会影响藤壶胶蛋白在结构、速率和稳定性方面的自组装行为。

图2. Aβ40和Aβ42的pH依赖性纤维形成动力学 [2]

基于藤壶胶独特的粘附和固化机制及其生物学特性，藤壶仿生医用材料显示出巨大的发展潜力，有望创造出具有优异粘附力和良好生物相容性的新型医用材料。与此同时，生物医学领域的仿生技术正在不断扩大。例如，仿生医用胶粘剂因其形式多样、组织粘附强度高、机械性能优异和生物相容性好而逐渐成为研究热点。然而，它们也面临一些限制，例如制备复杂和需要进一步验证长期稳定性和在体内的生物降解性。目前，藤壶仿生材料在高强度医用胶粘剂、组织工程、药物输送系统、抗菌医用材料等方面具有良好发展态势。

随着科学技术的进步和发展，藤壶仿生材料需要进一步功能化，多尺度化设计与制造等来满足人类社会发展的需求，同时也面临临床转化与产业化的难题。

研究总结

本文详细综述了藤壶胶及其仿生材料在生物医学领域的最新研究进展，重点探讨了藤壶胶的基本特性、粘附机制以及在生物医学中的多种应用。此外，本文阐明了藤壶胶蛋白在水下有效粘附的科学原理。基于藤壶胶的粘附性能，研究人员开发了一系列新型医用材料，为手术、伤口修复和药物输送提供了创新解决方案。

未来，研究将继续深入研究藤壶胶蛋白的粘附机制，并探索其在生物医学领域的新应用。预计藤壶启发的材料将在组织工程和药物输送系统等应用中持续扩展。这些材料不仅促进细胞粘附和增殖，而且还为药物负载和释放提供了稳定的载体。此外，随着纳米技术和生物技术的进步，藤壶启发材料的结构和特性有望进一步优化，以满足更广泛的临床需求。在材料功能化方面，未来的研究将侧重于通过化学修饰和基因工程赋予藤壶启发的材料额外的功能特性，例如抗菌、抗炎和促血管生成能力，以满足临床环境中日益增长的需求。同时，多尺度设计和制造技术的发展将使研究人员能够更精确地控制藤壶材料的结构和特性，从而在微观和宏观尺度上实现优化。

总体而言，藤壶胶及其仿生材料在生物医药领域具有广阔的应用前景。通过对其粘附机理和性质的深入研究，开发更具功能特性的藤壶仿生材料，以及其制备技术和应用方法的不断创新，将推动藤壶仿生医用材料的临床转化和产业化。有望成为生物医药领域的重要创新产品，为人类健康做出更大的贡献，为生物医药领域带来更多的创新和突破。

原文出自 Materials 期刊：https://www.mdpi.com/3147484

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊发表涵盖材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等、以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等研究领域在内的学术文章。

2023 Impact Factor：3.1(JCR Q1*, Q2**)

2023 CiteScore：5.8

Time to First Decision：13.9 Days

Acceptance to Publication：2.7 Days

*JCR Q1 - "Metallurgy and Metallurgical Engineering";

**JCR Q2 - "Materials Science, Multidisciplinary"