基于天然多糖水凝胶的适应性生物界面研究进展

来源：深圳高等研究院2022-10-17 11:36

最近，中国科学院深圳先进技术研究院生物医药与健康工程研究所的杜研究员和中国地质大学(北京)的教授合作设计并构建了一种基于NHS酯修饰的海藻酸钠和壳聚糖双层水凝胶的生物适应界面。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院生物医药与健康工程研究所杜研究员和中国地质大学(北京)教授合作设计并构建了基于NHS酯改性海藻酸钠和壳聚糖双层水凝胶的生物适应界面，可编程在潮湿生理条件下卷曲成管并快速附着，实现与小口径等高曲率组织的无缝合、共形、稳定界面适应(图1)。最近，这项研究工作在线发表在ACS Applied Materials Interfaces上，题为“自适应生物界面的变形-粘附多糖水凝胶”。

组织工程支架和神经电子学等可植入生物医学材料/装置在疾病中发挥着越来越重要的作用。可植入生物医学材料/装置的安全性和功能可靠性在很大程度上取决于它们在植入后与周围生物组织的共形、稳定和生物相容的界面适应性。然而，现有的策略仍然难以满足复杂的接口适配要求。基于团队早期对多功能刺激响应聚合物(Adv. funct。脱线。2020, 30 (10), 1909 202;Matter2019，1626。)、天然多糖水凝胶形态学编辑(Research2021，2021，9786128；Research2019，2019，6398296。)，生物界面适应(Natl。Sci Rev2020，7 (3)，629-643；高级功能。Mater.2018，28，2018)，研究人员利用海洋中广泛存在的天然多糖(海藻酸钠和壳聚糖)，结合NHS酯对海藻酸钠的分子修饰和双层结构的设计，构建了一种多功能的基于天然多糖水凝胶的自适应生物界面(HAB)，可通过程序控制盘绕成管，自粘附。

基于HAB双层水凝胶之间的溶胀差异，HAB可以在水或生理水溶液中从最初的薄膜形状自发卷曲成管状。通过调节水凝胶双层的不同厚度比，也可以根据需要调节形成的微管的直径。此外，基于NHS酯分子修饰的海藻酸盐与壳聚糖之间的强分子间相互作用(氢键和共价键)，HAB的两种水凝胶可以在水性环境甚至水下实现快速(10 s)和稳定(界面粘附韧性300Jm-2)的粘附。鉴于其可编程变形和快速湿结合功能，HAB在卷曲后可形成自封闭微管。同时，在没有任何外力的情况下塑形得到的凝胶微管，在血液的高流量剪切冲击或生理溶液的长时间浸泡下，仍能保持理想的结构稳定性，远高于主动脉径流的流速。

此外，由于其天然多糖水凝胶成分，HAB还表现出优异的生物相容性和生物活性：不仅可以支持其表面细胞极高的细胞活性和增殖能力，还可以有效支持其表面粘附斑的形成，并进一步支持细胞间连接的充分形成，这表明其在支持组织再生和修复方面的潜力。

研究人员进一步验证了HAB作为适应性生物界面顺应各种高表面曲率(2.8102 ~ 1.3103m-1)生物组织并稳定整合的能力。尤其是在潮湿的生理条件触发下，HAB可以与小口径血管实现保形、稳定、无缝的融合，无需外力塑形和缝合即可重新连接两条断裂的血管。综合界面剪切强度为70 kPa，能承受与主动脉径流相似的高速血液(85mms-1)的剪切冲击。

该研究实现了与高曲率组织的共形、稳定和生物相容的界面适应，为促进组织工程支架和神经电子学等可植入生物医学材料/器件的界面适应以增强其安全性提供了创新策略和思路

图1基于多糖水凝胶的自适应生物界面(HAB)通过可控变形和快速湿粘接，可以实现与小直径血管等高表面曲率生物组织的无缝合、保形和稳定整合。

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