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《Science》子刊：史上首次！高強(qiáng)度純兩性離子水凝膠


發(fā)布時(shí)間：2021-02-05 11:34:49     人氣：1592
高機(jī)械強(qiáng)度和長(zhǎng)期抵抗纖維囊形成是植入性材料面臨的兩大挑戰(zhàn)。遺憾的是，這兩個(gè)截然不同的屬性并沒(méi)有有機(jī)結(jié)合在一起，而是相互妥協(xié)。近日，來(lái)自美國(guó)華盛頓大學(xué)&康奈爾大學(xué)的Shaoyi Jiang等研究者，報(bào)道了一種獨(dú)特的材料，通過(guò)“膨脹”和“鎖定”機(jī)制將兩種弱兩性離子水凝膠整合成類似彈性體的高強(qiáng)度純兩性離子水凝膠。相關(guān)論文以題為“High-strength and fibrouscapsule–resistant zwitterionic elastomers”發(fā)表在Science Advances上。

長(zhǎng)期以來(lái)，合成水凝膠一直是很有吸引力的材料，可用于模擬生物組織的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，如組織支架。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)有兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：優(yōu)異的機(jī)械性能和長(zhǎng)期抵抗異物反應(yīng)引起的纖維囊形成。然而，這些性質(zhì)在同一種材料中通常不會(huì)共存，并且相互損害，前者要求疏水性，而后者要求親水性。雖然體外蛋白吸附、細(xì)胞粘附和細(xì)胞毒性是評(píng)估生物材料的常用方法，但它們遠(yuǎn)不能解決復(fù)雜生命系統(tǒng)中抵抗纖維囊的挑戰(zhàn)。該材料植入后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，不觸發(fā)纖維囊形成的能力是特別具有挑戰(zhàn)性的。眾所周知，幾乎所有的合成材料在植入后1個(gè)月內(nèi)都會(huì)引起異物反應(yīng)和纖維囊的形成。人們已經(jīng)通過(guò)材料的幾何形狀或化學(xué)修飾來(lái)緩解這種異物反應(yīng)，超親水兩性離子水凝膠在解決這一問(wèn)題上特別有希望。在研究者的早期研究中，兩性離子聚羧基甜菜堿(pCB)水凝膠，已被證明在小鼠皮下植入后3個(gè)月可以避免包膜形成，這是生物材料緩解這種反應(yīng)的最長(zhǎng)時(shí)間。然而，由于兩性離子水凝膠的超親水性，其力學(xué)性能較弱。增加材料力學(xué)性能的一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是添加疏水組分，但這增加了蛋白質(zhì)吸附和誘導(dǎo)纖維囊的形成。與此同時(shí)，各種水凝膠在增強(qiáng)力學(xué)性能方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，如雙網(wǎng)絡(luò)、可逆交聯(lián);分子滑動(dòng);和更多的性能。雖然許多水凝膠具有較低的蛋白質(zhì)吸附和細(xì)胞粘附性，但它們?nèi)赃h(yuǎn)未達(dá)到長(zhǎng)期抵抗纖維囊。在此，研究者提出了一種兩性離子-彈性體網(wǎng)絡(luò)(ZEN)水凝膠(圖1A)，通過(guò)整合兩種弱兩性離子水凝膠：pCB和聚(磺基甜菜堿)(pSB)實(shí)現(xiàn)。在這種pCB/pSB ZEN水凝膠中，pCB是次要成分，形成一個(gè)緊密的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來(lái)產(chǎn)生彈性，而pSB是主要成分，形成一個(gè)松散的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供粘度。這些兩性離子-彈性網(wǎng)狀(ZEN)水凝膠，在植入小鼠后可有效抵抗纖維囊形成長(zhǎng)達(dá)1年。這種材料既具有較高的力學(xué)性能，又具有長(zhǎng)期的纖維囊阻力，這是以前從未實(shí)現(xiàn)過(guò)的。

圖1 具有高機(jī)械性能的pCB/pSB ZEN水凝膠。

圖2一系列pCB/pSB水凝膠的力學(xué)性能和溶脹性能。

圖3 ZEN水凝膠的基本設(shè)計(jì)原則。


圖4 pCB/pSB ZEN水凝膠在小鼠皮下植入1年后具有長(zhǎng)期的纖維囊耐受性和耐久性。綜上所述，研究者報(bào)道了一種“ZEN”水凝膠，表現(xiàn)出獨(dú)特的機(jī)械強(qiáng)度和長(zhǎng)期抗纖維囊的組合。ZEN水凝膠的主要特征是它由兩個(gè)不同的純兩性離子網(wǎng)絡(luò)組成——一個(gè)緊密交聯(lián)的小組分網(wǎng)絡(luò)具有高的膨脹性，一個(gè)松散交聯(lián)的主組分網(wǎng)絡(luò)具有關(guān)鍵的鎖定效果。研究發(fā)現(xiàn)pCB/pSBZEN水凝膠在大范圍變形下，表現(xiàn)出良好的彈性，減少纖維囊的形成，并在小鼠皮下植入長(zhǎng)達(dá)1年的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定而不退化或機(jī)械強(qiáng)度喪失。ZEN水凝膠的耐久性和纖維囊性，將為軟骨置換、組織修復(fù)和導(dǎo)管等植入材料的長(zhǎng)期發(fā)展提供了一條新途徑。論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/1/eabc5442
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