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【科研进展】纳米结构形状如何增影响复合水凝

2021-02-01 08:14 作者:赢德体育官方网站 点击:

  生命系统的特征是形状多样的。从球形HIV病毒到构成我们身体的杆状烟草花叶病毒,星形细菌和多形细胞,不同形态赋予特定功能,例如与表面的相互作用、被动扩散和主动运动。为了模仿自然界的完美,科学家们设计了各种各样的纳米颗粒,从碳基或聚合物到无机或金属基材料。精确控制聚合物纳米颗粒的物理化学性质(如形状、尺寸和表面化学性质)为这些纳米结构应用提供更多机会。例如,纳米颗粒形态是调节细胞摄取速率、机制以及细胞内转运的主要因素之一。

  受到纳米颗粒形状对各种生命表现(药物递送、细胞-纳米颗粒的相互作用和内在化速率、干细胞的细胞行为或分化)影响的启发,团队假设水凝胶材料之间的机械性能和粘附力可以通过调整纳米颗粒的形状来控制。先前报道已将多种纳米颗粒成功地与聚合物网络结合,获得纳米复合(NC)水凝胶的机械性或对表面的附着力能有所提高,从而改善了它们在生物环境中的相互作用和性能。迄今为止,对于这些应用仅研究了球形纳米颗粒。考虑到纳米粒子形态对其行为有很大影响,团队推测形状差异会导致与凝胶基质的相互作用不同,作者以结晶驱动自组装(CDSA)制备聚合物纳米颗粒,并探究纳米颗粒形状对材料性能的影响,该方法可对粒度、形态和表面化学进行高度控制。与0D球形或1D圆柱形对应物相比,2D血小板在掺入聚合物网络时会显着提高水凝胶表面之间的粘附力和材料的机械强度。

  作者以聚L-丙交酯的嵌段共聚物制备中性、阳离子、阴离子和两性离子2D血小板和阳离子1D圆柱体。通过溶剂转换法制备球形胶束,同时保持与其他颗粒相同的化学性质(图1a)。这种方法可以制得不同形态、形状及尺寸的纳米颗粒。假设不同纳米颗粒形态具有不同的亲和力和干扰网络链的能力,作者研究不同纳米颗粒形状对藻酸盐凝胶粘合性能的影响。

  图1:不同形态PLLA35纳米颗粒的表征。(a)PLLA35-b-PDMAEMA315球形胶束的TEM图片,(b)PLLA35-b-PDMAEMA315血小板的TEM图片,(c)PLLA35-b-PDMAEAm400圆柱形胶束的TEM图片。

  作者将藻酸盐(1.5 wt%),碳酸钙和D-葡萄糖酸-δ-内酯(GDL)混合在一起制备钙-藻酸盐水凝胶以探索其NC特性。作者以10L季铵化的(阳离子)血小板水分散液用作粘合剂,将两个海藻酸钙水凝胶块粘合在一起(图2a-d),水凝胶在10分钟内粘附。以相同的方式可粘贴多块水凝胶(图2b),而对照组观察到的粘合力可忽略不计,这表明在界面处存在季铵化血小板是粘合的原因。当关节浸入过量的水中并膨胀时,仍会保留粘附力。作者进一步评估了尺寸和表面电荷对血小板粘附特性的影响(图2f,g)。与中大型血小板相比,小型血小板具有更高的粘附强度(图2f)。作者认为这种与尺寸有关的行为是小血小板既位于凝胶表面轮廓上又彼此不相互作用形成比大血小板更好的粘合层的能力的结果。与阴离子、两性离子和中性血小板相比,阳离子季铵化血小板具有更高的粘附能(图2g),作者认为这是它们与藻酸盐基团中阴离子相互作用所致。

  作者接着将这些血小板颗粒的粘附能与0D球形和1D圆柱形形态进行比较。与相应的球形和圆柱形颗粒胶凝体相比,血小板胶凝体在破裂前可承受的应力分别增加了133%和600%(图2c)。此外,2D血小板纳米颗粒的单轴拉伸粘合能是球形颗粒的9倍,圆柱形胶束的4倍(图2c,d)。与球形和圆柱形胶束相比,血小板具有优越的粘合性。

  图2:不同形态PLLA35纳米颗粒的海藻酸钙水凝胶块粘合特性。(a)用季铵化血小板粘附海藻酸盐水凝胶的示意图。(b)多块粘合在一起的水凝胶。(c)剪切应力行为。(d)水(对照)、血小板、圆柱或球形胶束的藻酸钙凝胶块的整体剪切的粘合能。(e)整体剪切粘合示意图。不同尺寸(f)和电荷(g)对粘附能的影响。

  作者接着探讨纳米颗粒形态对相关藻酸盐NC机械性能的影响。振荡流变学的研究表明含2D血小板凝胶的凝胶应变显着增加(图3a–d),说明该凝胶在断裂前它能够承受更高的剪切应变。此外,随着血小板含量的增加,屈服应变(G的初始下降)也随之增加(图3a),这在球形或圆柱形胶束样品中未观察到(图3d)。这可归因于2D血小板与藻酸盐水凝胶的相互作用更高,因此,凝胶中掺入的血小板越多,流动点的应变就越高。2D形态的血小板具有更大的表面积,更易于与水凝胶的聚合物链相互作用,因此与球形和圆柱形形态相比,藻酸盐凝胶的机械性能进一步提高。随着片状、球形或圆柱形结构含量的增加,线性粘弹性范围内的G并没有发生实质性变化,这可避免由于添加剂而造成的材料脆性。此外,即使在总表面积相似的情况下,小型血小板与大中型血小板相比,其材料性能也有所提高,这是因为小型血小板更好地分散在水凝胶结构中(图3e)。

  为了证明纳米颗粒形状的变化只影响机械强度(屈服强度和断裂强度),而不影响水凝胶材料的刚度,作者研究了非共价交联剂的可逆剪切变稀和自修复行为联的水凝胶。尽管添加血小板后强度有所提高,但在施加切应力下仍能完全可逆地诱导流动,并在应力松弛后迅速自我修复(图4a,b)。这些特性以及抗屈服性和断裂性克服了海藻酸钙水凝胶在组织工程中广泛研究的主要障碍之一。

  图4:含PLLA35-b-PDMAEMA315血小板的海藻酸钙水凝胶的自愈特性。

  含血小板颗粒的海藻酸钙水凝胶在3天和7天后的细胞活力与无颗粒海藻酸钙水凝胶相似,表明材料具有高度的细胞相容性(图5c)。此外,作者还研究了血小板在生理条件下载细胞水凝胶的粘附能力,当水凝胶在37℃浸入细胞培养基中膨胀后,粘附部位保持完整且没有观察到细胞从细胞层迁移到脱细胞层(图5a),表明该系统可用于密封不同组织、确保伤口愈合和组织再生的基本特性。作者用染料标记也未在两层细胞之间观察到细胞迁移(图5b)。这表明以血小板颗粒作为黏合剂,利用海藻酸钙水凝胶进行不同组织的再生,为构建复杂的组织工程模型提供了一条有前途的途径。最后,作者还利用牛软骨组织探讨了血小板作为黏合剂的能力。结果显示该系统的粘附能高于临床的最低阈值,也高于PEG-DOPA和商用纤维蛋白粘合剂Tisseel的粘附能。

  图5:海藻酸钙NCs的细胞相容性和PLLA35-b-PDMAE315血小板的软骨组织粘附。

  显然,纳米颗粒的形状在水凝胶材料的合成特性的定义中起着关键的作用,在用作胶水时也起着粘合强度的作用。事实上,利用CDSA作为一种简单而通用的工具来控制纳米颗粒的形状、大小和化学性质,为调节水凝胶的力学性能提供了许多机会。含有聚合血小板颗粒的NCs能够增强海藻酸钠凝胶的强度、自我修复性能以及粘附性,这表明海藻酸钙水凝胶在体内的性能有很大的提高,并可作为一种自修复胶接接头的方法。其生物相容性为组织工程和药物传递等的广泛应用提供了巨大的潜力。

  原标题:《【科研进展】纳米结构形状如何增影响复合水凝胶粘合性和机械性能》

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