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              科研進展

              深圳先進院基于可程控卷曲粘合天然多糖水凝膠的生物適配界面

              發布時間:2022-09-30 來源:深圳先進技術研究院

                近日,中國科學院深圳先進技術研究院醫工所智能材料中心杜學敏研究員團隊與中國地質大學(北京)李金洪教授研究團隊合作,設計構建了基于NHS酯修飾海藻酸鈉和殼聚糖雙層水凝膠的生物適配界面,可在濕潤生理條件下程控卷曲成管并快速粘合,實現與表面高曲率組織如小口徑血管的免縫合、共形、穩定的界面適配(圖1)。近期,該研究工作以“Morphing-to-adhesion polysaccharide hydrogel for adaptive biointerfaces”為題在材料領域高水平期刊ACS Applied Materials & InterfacesIF: 10.383)上在線發表。杜學敏研究員是該論文通訊作者,中國地質大學(北京)李金洪教授為論文共同通訊作者,先進院客座碩士生王姍姍與趙啟龍副研究員為論文共同第一作者。

                

              多糖水凝膠基自適應生物界面(HAB)通過可控形變和快速濕粘合,實現與高表面曲率生物組織如小口徑血管的免縫合、共形、穩定整合

               

                植入式生物醫用材料/器械如組織工程支架、神經電子在疾病診療中發揮著日趨重要的角色。植入式生物醫用材料/器械的安全性和功能可靠性極大程度上依賴其植入后能與周圍生物組織實現共形、穩定且生物相容的界面適配。然而,現有策略還難以滿足復雜的界面適配要求?;趫F隊前期在多功能刺激響應高分子(Adv. Funct. Mater. 2020, 30 (10), 1909202; Matter 2019, 1, 626.)、天然多糖水凝膠形態編輯(Research 2021, 2021, 9786128; Research 2019, 2019, 6398296.)、以及生物界面適配(Natl. Sci Rev 2020, 7 (3), 629-643; Adv. Funct. Mater. 2018, 28,)方面的研究基礎,我們使用海洋中廣泛存在的天然多糖(海藻酸鈉和殼聚糖),結合對海藻酸鈉的NHS酯分子修飾和雙層結構設計,構建了可程控卷曲成管并自粘合封閉的多功能天然多糖水凝膠基自適應生物界面(HAB)。 

               

                基于HAB雙層水凝膠間的溶脹差異,HAB在遇水或含水的生理溶液時,可從初始的薄膜形態自發卷曲成管狀;通過調控水凝膠雙層的不同厚度比,還可按需調整所形成微管的管徑。并且,基于NHS酯分子修飾海藻酸鹽與殼聚糖之間極強的分子間相互作用(氫鍵和共價鍵),構成該HAB的這兩種水凝膠可在含水環境下乃至水下實現快速(<10 s)、穩定(界面粘合韌性>300 J·m?2)粘合。而鑒于其程控形變和快速濕粘合功能,HAB能夠卷曲后形成自封口的微管。并且,這種無需任何外力塑形得到的凝膠微管在遠高于主動脈徑流流速的血液高流速剪切沖擊或生理溶液的長時間浸泡下,仍能夠保持理想的結構穩定性。 

               

                此外,由于其天然多糖水凝膠組分,HAB還呈現了優異的生物相容性和生物活性:不但可支持細胞在其表面極高的細胞活性和增殖能力,還可有效支持細胞在其表面形成粘著斑并進一步支持細胞間聯接的充分形成,預示了其在支持組織再生修復方面的潛力。 

                最后,我們進一步驗證了HAB作為自適應生物界面與高表面曲率(2.8 × 102~1.3 × 103 m-1)的多種生物組織共形、穩定整合的能力。特別是,在濕潤生理條件觸發下,該HAB即可實現與小口徑血管的共形、穩定無縫整合,在無外力塑形且無縫合下,重新連接兩段斷裂的血管。整合后的界面剪切強度> 70 kPa,并可承受類似主動脈徑流流速的高流速血液(85 mm·s-1)剪切沖擊。 

               

                該研究實現了與高曲率組織的共形、穩定且生物相容的界面適配,對于促進組織工程支架和神經電子等植入式生物醫用材料/器械的生物界面適配以增強其植入后的安全性和功能可靠性提供了創新策略和思路。上述研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院青促會、廣東省、深圳市等科技項目資助。 

                

                

              論文上線截圖

              論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c10117 


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