张智军课题组
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基于仿细胞外基质的弹性可注射复合水凝胶研究取得进展

2021-12-15

 

       可注射水凝胶能够以微创手术方式将多种细胞或生物材料递送至体内深层病变部位的不规则损伤区域。其中,基于(负载细胞的)天然生物高分子的双重交联(dual crosslinking, DC)可注射水凝胶因其固有的生物活性、生物相容性和拉伸/压缩回弹性而受到广泛关注。目前,适用于负载细胞的DC可注射水凝胶种类非常有限,存在制备工艺复杂、可调节性差以及凝胶后机械性能弱等缺点。因此,研发合成简便、兼具良好机械性能和生物安全性的天然生物高分子基可注射水凝胶是一个亟待解决的问题。

       针对上述难题,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张智军研究员团队设计、制备了一种具有优异的抗压性和生物相容性的仿细胞外基质DC可注射水凝胶。在该策略中,首先通过酸胺缩合反应分别制备苯硼酸(PBA)修饰甲基丙烯酸酯化硫酸软骨素(CSMA)(CSMA-PBA)以及多巴胺(DA)修饰甲基丙烯酸酯化明胶(GelMA)(GelMA-DA),然后,CSMA-PBA和GelMA-DA间生成可逆的硼酯键从而形成单一交联(single crosslinking, SC)的水凝胶。在此基础上,通过引入含巯基的聚乙二醇交联剂发生迈克尔加成反应或光聚合反应形成机械性能增强的DC水凝胶(图1)。动态SC水凝胶具有良好的可注射性、pH敏感的凝胶-溶胶转化能力以及对皮肤、肝脏和椎间盘等多种基底的粘附能力。DC水凝胶内部存在有效的能量耗散机制,表现出极佳的压缩回弹性,其压缩应变可超过90%(图2a)。经过连续五次压缩加载-卸载循环后,DC水凝胶的压缩强度约是初始强度的90%。以皮下注射方式在体形成的DC水凝胶与周围组织紧密结合(图2b),并具有自我修复的粘弹特性。同时,光聚合DC水凝胶可以支持脐带间充质干细胞在三维环境内的存活和增殖。

      上述工作为基于天然生物高分子的弹性可注射水凝胶的研发提供了一种新的策略。相关研究成果以“Facile engineering of ECM-mimetic injectable dual crosslinking hydrogels with excellent mechanical resilience, tissue adhesion, and biocompatibility”为题,近期在线发表在国际学术期刊Journal of Materials Chemistry B上。

       课题组博士研究生付寒为第一作者,张智军研究员为通讯作者。

 

Han Fu, Chenggong Yu, Xiaodi Li, Hongying Bao, Bo Zhang, Zhongjin Chen and Zhijun Zhang*, J. Mater. Chem. B, 2021, DOI: 10.1039/D1TB01914G.

 

图 1 利用双重交联策略制备基于硫酸软骨素与明胶的弹性复合水凝胶示意图。

 

图2 (a)DC水凝胶的抗压缩性能测试与(b)在体注射成型性研究。

 

 

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