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微纳米光影印法工艺绿色制备高分子生物材料及其在生物医学工程中的应用

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  • 发布时间:2020-07-06 11:23
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【概要描述】以大幅度改善生物医用材料与生物体的相容性为目标,北京市生物医学工程高精尖创新中心常凌乾教授与浙江工业大学陈枫副教授、浙江大学附属第二医院刘震杰副主任医师合作,结合紫外光引发和巯基“click”聚合两种方法,使用光影印法制备了一系列力学性能优异、无毒无污染、生物可降解的微米级表面图案化高分子材料。

微纳米光影印法工艺绿色制备高分子生物材料及其在生物医学工程中的应用

【概要描述】以大幅度改善生物医用材料与生物体的相容性为目标,北京市生物医学工程高精尖创新中心常凌乾教授与浙江工业大学陈枫副教授、浙江大学附属第二医院刘震杰副主任医师合作,结合紫外光引发和巯基“click”聚合两种方法,使用光影印法制备了一系列力学性能优异、无毒无污染、生物可降解的微米级表面图案化高分子材料。

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医用高分子材料按照用途,可分为心血管系统、软组织及硬组织等修复材料等。这些材料除应满足一般的物理、化学性能要求外,还必须具有足够好的生物相容性,例如,用于心血管系统的医用高分子材料应当着重要求其抗凝血性好,不破坏红细胞、血小板,不改变血液中的蛋白并不干扰电解质等。


以大幅度改善生物医用材料与生物体的相容性为目标,北京市生物医学工程高精尖创新中心常凌乾教授与浙江工业大学陈枫副教授、浙江大学附属第二医院刘震杰副主任医师合作,结合紫外光引发和巯基“click”聚合两种方法,使用光影印法制备了一系列力学性能优异、无毒无污染、生物可降解的微米级表面图案化高分子材料。


联合团队前期已经在传统生物惰性材料上验证了技术可行性,实现在生物惰性PDMS表面上,紫外光引发巯基“click”固定修饰具有生物活性的聚多巴胺(PDA)纳米微球。通过调控PDA的微观聚集形貌(纳米微球或光滑薄膜),赋予PDMS材料表面pH响应的的亲/疏水、蛋白质吸/脱附表面摩擦系数改变;同时大幅改善细胞在材料表面的生长情况(ACS Appl. Bio Mater., 2018, 1(6): 2167-2175)。并采用紫外光引发和巯基“click”聚合制备高精度3维血管支架,相比较商用光固化树脂体系(PEGDMA),反应树脂体系无有机溶剂和光引发剂,光固化材料无小分子残留,生物相容性好,拉伸强度高,柔韧性好,成型精度高(Chem. Eng. J., 2019, 366: 112-122),并申请发明专利2项。


近期,合作团队将该方法拓展至快速制备3维成型生物可降解水凝胶。透明质酸(HA)是组织工程支架材料的优异选择。但由于透明质酸粘度大、吸水性强,在高精度成型领域研究领域,尤其是微纳米图案化结构的透明质酸水凝胶存在重大材料和技术挑战。合作团队选择高分子量透明质酸前体,分子链经过双键改性,与水溶性四半胱氨酸交联剂复配成水溶液,在波长405纳米紫外光辐照下,快速固化为无毒无小分子污染、体内可降解的透明质酸水凝胶,其含水量可达95 wt%以上。

 

图1. 透明质酸水凝胶结构和性能:a)冷冻干燥后透明质酸凝胶网络结构;b)凝胶表面20微米流道形貌;以及不同交联剂含量的凝胶c)固化时间、d)拉伸强度和e)压缩强度。


随着四半胱氨酸交联剂用量的调整,透明质酸水凝胶的固化时间和力学性能均可以大幅度调整,在1 wt %交联剂用量条件下,透明质酸水凝胶紫外固化成型时间小于60秒,拉伸强度可达0.65 kPa,压缩强度可提升至69.28 kPa。合作团队采用光影印法,成功制备精度为10微米的透明质酸图案化表面。

 

图2. a)透明质酸水凝胶在小鼠体内1周、2周和4周后植入降解情况:A小鼠体内H&E染色照片;B凝胶表面CD3淋巴细胞增殖情况。b)凝胶培养HUVEC细胞后p-FAK和FAK蛋白印迹,以及 c)不同交联度凝胶的 VEGF释放量。d)不同交联度凝胶体外降解实验。


进一步,团队系统研究了透明质酸水凝胶负载VEGF后的体外可控释放、内皮细胞培养和小鼠体内生物相容性试验。证明了较低交联度的透明质酸水凝胶具有适中的VEGF释放速率,透明质酸水凝胶拥有优异的细胞相容性,即使是高交联度水凝胶样品植入在小鼠体内三至四周后也已完全降解。

该工作近期发表在Journal of Materials Chemisry B上(DOI: 10.1039/C9TB02796C),并被选为内页封面论文。张倩敏硕士和季永丽博士为论文共同第一作者,陈枫副教授、刘震杰副主任医师和常凌乾教授为论文共同通讯作者。以上系列工作受到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、浙江省卫生厅项目和北京市生物医学工程高精尖创新中心经费资助。


常凌乾教授课题组:研究方向主要包括生物纳米技术、生物芯片和生物纳米材料。已在国际期刊发表SCI论文50余篇,包括Nature NanotechnologyNano LettersSmall等。已申请和授权美国专利3项,中国专利9项。主编英文专著1部(Springer),书章节3章。获得了诸多科研奖励和荣誉,如俄亥俄州立大学博士最高奖Presidential Fellowship,北德克萨斯大学RSG Awards, MINE 2018‘杰出青年科学家’提名奖等。入选2017年中组部‘千人计划’青年项目。现任SCI期刊Biomedical Engineering Online副主编(Associate Editor)和Computers in Biology and Medicine编委(Editorial Board), Springer Nature《Electroporation Protocol》第三版主编。

 

 

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