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中山大学陈永明教授团队在动态交联生物水凝胶领域取得系列进展

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来源:立方辰‍网址:https://www.uy188.com

中山大学陈永明教授团队在动态交联生物水凝胶领域取得系列进展


动态交联水凝胶在结构上与人体组织类似,具有良好的自愈合性能和粘弹性,作为一种仿生材料,在医学领域具有极其诱人的应用前景。中山大学陈永明教授与合作者在国际上最早提出了用酰腙动态共价键构建自修复性能优异的聚合物交联网络凝胶Macromolecules2010, 43, 1191-1194),该动态共价键体系已经成为国际自修复领域的代表之一。近年来,该团队发展了一系列的动态共价键和物理作用双交联水凝胶,并拓展到医学领域应用。

一般来说具有粘弹性的水凝胶不能被重塑,撤去外力后迅速恢复到原来形状。研究团队证明了具有不同松弛尺度的双重可逆交联网络可用于开发一种可重塑的水凝胶材料。在低温(<10℃)下,表面富含伯胺的氧化硅纳米点(约2 nm)和醛基修饰的F127可通过席夫碱键形成化学交联水凝胶,该作用强,表现出慢松弛性能;提高温度(>15℃)可使F127疏水段形成物理交联,该作用弱,表现为快松弛。这种结构特性赋予该水凝胶的高拉伸性和自愈合性。有趣的是,这种透明水凝胶在撤出指压时,可在一段时间内保持指纹精细的三维纹路,这可以用于采集指纹的数字信息。该工作以题为?Fingerprintable Hydrogel from Dual Reversible Cross-Linking Networks with Different Relaxation Times发表在ACS Applied Materials & Interfaces(?2019, 11, 17925)。


图1 (A)温度敏感的动态化学与物理双网络凝胶结构示意;(B)25℃时水凝胶的储能模量和损耗模量;(C)温度变化对水凝胶储能模量和损耗模量的影响;(D)指纹三维纹路可滞留在水凝胶表面。

团队利用了动态共价交联和自组装物理交联的优点构建了智能双网络水凝胶,应用于烧伤护理敷料方面。基于酰肼修饰的透明质酸和端基苯甲醛修饰的Pluronic F127之间形成动态酰腙键,而F127可在温和温度(>25°C)形成疏水物理交联。物理交联可为水凝胶贡献剪切变薄、温敏性和能量耗散的性质,动态化学和物理双交联可提供优异的粘弹性和自愈合(图2)。深度局部烧伤治疗结果表明,该水凝胶具有良好的渗出物吸收和良好的细胞相容性,可促进大鼠皮肤烧伤创面愈合。值得注意的是,此水凝胶通过游离的醛基可与组织上的氨基化学结合表现出组织粘合性,可望解决常规水凝胶敷料易从生理组织脱落的难题。该材料有望作为一种新型多功能水凝胶基烧伤皮肤敷料。该工作以题为A Hydrogel Crosslinked with Dynamic Covalent Bonding and Micellization for Promoting Burn Wound Healing发表在ACS Applied Materials & Interfaces(?2018, 10, 25194)。


图2动态交联水凝胶的物化性能表征。(A-C) 流变学测试结果;(D) 自愈合性能的宏观评价过程。

通过对优良生物相容性的透明质酸和PF127进行化学修饰,团队通过动态肟键和疏水作用协同构建了新的动态双交联水凝胶。该材料具有温度敏感性,在生理温度下机械性能得以进一步增强。该水凝胶具有良好的血液相容性、抗细胞附着性和细胞相容性(图3)。归咎于动态游离的醛基和透明质酸上的羧基,可与组织蛋白上的氨基动态结合,水凝胶能牢固地粘附在大鼠侧壁肠缺损模型受损组织表面,作为物理屏障起到了防腹腔组织粘连的效果,可望成为很有应用前景的临床术后抗粘连材料。本项工作以题为“Dual dynamic crosslinked thermosensitive hydrogel with self-fixable property as a postoperative anti-adhesion barrier”发表在Acta Biomaterialia(2020, 110, 119-128)。


图3具有组织黏附性的双交联水凝胶,可作为物理屏障起到防腹腔组织粘连作用。

近日,团队进一步采用葡萄多糖和F127建出一种基于动态肟键和疏水相互作用的双动态交联水凝胶,作为3D打印自固化水凝胶墨水。这种水凝胶墨水具有良好的温度敏感性,在低温下仅以轻度动态肟键交联,能够直接挤出成型;在被打印到生理温度环境时,凝胶组分形成疏水相互作用二次交联,从而增大凝胶强度和提高打印支架的稳定性。解决了当前生物3D打印水凝胶墨水往往需要紫外光交联、二次离子交联等辅助手段,及其面临小分子试剂残存等问题。双动态交联作用使水凝胶具有良好的自愈合能力,有助于在打印过程中结构间的融合。该水凝胶具有优异的力学韧性,如拉伸、压缩和恢复性能。经丝素蛋白包被后,该载体具有良好的细胞相容性并促进细胞增殖,包括HaCaT细胞、NHDF和HUVEC等皮肤细胞在整个结构中呈现铺展形态


图4 温度敏感水凝胶直接挤压式3D打印示意图。(A)低温(16℃)下水凝胶中动态肟键交联示意图;(B)3D打印过程及在生理温度(37℃)下疏水相互作用二次交联;(C)3D打印支架的韧性;(D)细胞在3D打印支架中的三维分布。

该3D打印支架可作为皮肤再生或其他组织细胞治疗的支架材料。相关论文以题为“Direct 3D printing of thermosensitive AOP127-oxidized dextran hydrogel with dual dynamic crosslinking and high toughness” 发表在Carbohydrate Polymers(2022, 291, 119616)。

(来源:中山大学 版权属原作者 谨致谢意)


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