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《ACS AMI》:用于自适应生物界面的变形粘附多糖水凝胶

高分子技术 凝胶技术
高分子凝胶与网络    2022-09-13    670

摘要

医疗植入物的可靠功能高度依赖于生物相容性、保形和稳定的生物界面,以实现与生物组织的无缝生物整合。尽管基于合成水凝胶的柔性生物界面在通过手术缝合、物理附着或手动预成型优化植入物生物整合方面已显示出前景,但它们仍然存在适应性差,如手术缝合造成的组织损伤、生物活性低、难以保形接触和稳定固定等问题,尤其适用于表面曲率较大的特定组织。
中科院深圳先进院-Xuemin Du,中国地质大学-Jinhong Li(通讯作者)团队报告了一种基于双层水凝胶的自适应生物界面 (HAB),它由两种多糖衍生物 N-羟基琥珀酰亚胺 (NHS) 酯活化的海藻酸盐和壳聚糖制成,利用了它们不同溶胀和活性基团的双重优势。利用两个水凝胶层之间的差异溶胀和水凝胶界面处与活性基团的共价键,HAB 可以通过水诱导的柔顺形状变形和即时界面粘附被编程到具有可调直径的密封管中。本文进一步证明了基于多糖的变形-粘附HAB在引导细胞粘着斑和细胞间连接方面具有出色的生物活性,对具有广泛表面曲率(2.8 × 102 -1.3 × 103 m-1)的不同管状组织具有多种几何适应性。以及在高负荷/承受剪切的生理环境中优异的机械稳定性(血流量:85 mm·s -1 )HAB 克服了现有生物界面在生物活性差和难以与表面曲率大的生物组织进行生物整合方面的局限性,有望为自适应生物界面和可靠的医疗植入物开辟新途径。相关成果以“Morphing-to-Adhesion Polysaccharide Hydrogel for Adaptive Biointerfaces”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。


图文导读

1. HAB 准备。  (a) 图解说明 HAB 适应管状组织的变形粘附策略。 由于两层之间的差异膨胀和 Alg-NHS 与壳聚糖/组织之间通过氢键和共价键的即时界面结合,溶胀后的 HAB 通过变形和粘附形成适应管状组织的自密封管。  (b) 以风干水凝胶薄膜形式储存在密封塑料袋中的 HAB  (c) 直径可调的水凝胶管形式的 HAB  (d) HAB 显示出具有无缝接口的明确定义的双层结构。


2. HAB 的湿粘附、可控变形和自密封。  (a) 在界面水存在下 Alg-NHS 和壳聚糖水凝胶之间的湿粘附。  (b) 拉伸试验中完全溶胀的 HAB 的应变-应力曲线。  (c) 壳聚糖与非活化海藻酸盐(海藻酸盐)或 Alg-NHS 之间的湿粘附形成的界面的剪切强度、拉伸强度和界面韧性。  (d) Alg-NHS/壳聚糖双层水凝胶膜在水中溶胀后可控变形为管状。  (e) 基于 HAB 的管的代表性图像,其中 Alg-NHS 和壳聚糖层分别染成绿色和红色。  (f) 显示基于 HAB 的管的无缝接口的代表性图像。  (g) 基于 HAB 的管在 Alg-NHS 和壳聚糖层之间的不同厚度比下的可调直径。  (h) 基于 HAB 的管在 7 天内在 DPBS 中不同浸泡时间的直径变化。


3. HAB 用于指导细胞功能。 


4. 不同生物组织的 HAB  (a) HABs 与不同组织的非平面表面和不同重量的生物粘附,以承受自身重量,粘附面积小于 1 cm-2  (b) HABs 与不同表面曲率的不同管状组织在喷水后的保形和无缝生物整合。  (c) 不同管状组织的无缝组织-HAB 界面。  (d) 不同管状组织的组织-HAB 界面的剪切强度。  (e) HAB 的离体生物整合,用于重新连接两条直径小于 1 mm 的动脉。  HAB 在喷水后变形,然后以非接触方式形成与小直径动脉共形的自密封管。  (f) HAB 和小直径动脉之间的离体生物整合形成的连接结构,在使用兔子血液的血流体积为 85 mm·s -1 的灌注实验中显示出高机械稳定性。  (g) 示意图,说明 HAB 与小鼠破裂动脉的体内无缝生物整合。  (h) HAB 的无缝生物整合,用于重新连接小鼠体内两条断裂的主要动脉。


小结

总之,本文开发了具有柔顺变形和即时湿粘附耦合功能的HAB,其形状可以通过主动柔顺从平面薄膜编程到密封管。与现有的生物界面相比,HAB 在指导细胞功能方面表现出优越的生物活性、对各种生物组织的高通用性几何适应性,特别是那些具有大表面曲率的生物组织,以及在高负荷/承受剪切的生理模拟环境中的出色机械稳定性。凭借在生物活性、几何形状和力学方面的协同适应性,HAB 将为生物相容、保形和稳定的生物整合提供新的机会,这也将为开发自适应生物界面以实现各种医疗植入物(如组织工程支架和生物电子学)的可靠功能提供灵感。



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