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  在組織工程中，定量評(píng)價(jià)生物材料的體內(nèi)降解行為，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)生物材料的高分子結(jié)構(gòu)使得其降解速率與新生組織的再生速率相匹配。基于熒光法可視化監(jiān)測(cè)水凝膠體內(nèi)降解是實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)定量表征水凝膠降解的重要手段。然而，現(xiàn)有的熒光指示降解方法存在局限性，如有機(jī)熒光探針的光漂白和因熒光基團(tuán)引入導(dǎo)致干擾高分子的降解行為。

  為了解決以上問(wèn)題，在國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體和面上項(xiàng)目支持下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)周玉院士和賈德昌教授團(tuán)隊(duì)的李保強(qiáng)副教授等人合成并利用低光漂白、發(fā)射紅光和良好生物相容性的納米碳點(diǎn)為熒光指示劑，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)可注射水凝膠的體內(nèi)與體外降解，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了納米碳點(diǎn)的生物相容性，建立了實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)可視化定量評(píng)價(jià)水凝膠降解的數(shù)學(xué)模型（圖1）。體外與體內(nèi)毒性測(cè)試表明納米碳點(diǎn)對(duì)細(xì)胞和周圍組織無(wú)毒，并具有良好生物相容性。納米碳點(diǎn)熒光指示劑具有如下特點(diǎn)：低光致漂白（熒光信號(hào)穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期觀測(cè)）；紅光發(fā)射（更深的組織穿透深度）；優(yōu)異的生物相容性（應(yīng)用到體內(nèi)安全無(wú)毒）。

圖1基于納米碳點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)可視化監(jiān)測(cè)生物材料的體內(nèi)降解

  研究發(fā)現(xiàn)負(fù)載納米碳點(diǎn)的殼聚糖水凝膠在PBS溶液中500小時(shí)內(nèi)基本不降解，并且發(fā)現(xiàn)其熒光圖像的積分熒光強(qiáng)度基本保持不變（圖2A和圖2B），因此當(dāng)凝膠不降解時(shí)，包埋在水凝膠的納米碳點(diǎn)不會(huì)釋放。而水凝膠在含酶的PBS溶液中500小時(shí)內(nèi)發(fā)生不同程度的降解并呈現(xiàn)交聯(lián)密度依賴性，并且發(fā)現(xiàn)其積分熒光強(qiáng)度的衰減也是隨著時(shí)間而增加（圖2A和圖2B）。將經(jīng)典重量法降解與定量化熒光圖像法得到的降解比較發(fā)現(xiàn)，它們整個(gè)降解時(shí)間內(nèi)具有較高的匹配性（圖2C），因此當(dāng)凝膠降解時(shí)，基于重量法和基于納米碳點(diǎn)的熒光可視化法呈現(xiàn)相近降解動(dòng)力學(xué)曲線。通過(guò)建立定量表征水凝膠體外降解的數(shù)學(xué)模型可預(yù)測(cè)水凝膠的體內(nèi)降解行為，最終實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)可視化定量表征生物材料體內(nèi)降解。

圖2納米碳點(diǎn)作為熒光指示劑實(shí)現(xiàn)定量評(píng)價(jià)的水凝膠的體外降解行為

  研究發(fā)現(xiàn)負(fù)載納米碳點(diǎn)的殼聚糖水凝膠在小鼠體內(nèi)的降解隨著凝膠網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)密度的不同而不同，但是都可以應(yīng)用定量化熒光圖像法來(lái)定量判斷（圖3A和圖3B）。重要的是，基于納米碳點(diǎn)實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)可視化監(jiān)測(cè)降解的方法不但實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)生物材料降解，而且還可有效降低動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)物使用量。在體內(nèi)降解水凝膠中的納米碳點(diǎn)不會(huì)滯留在研究區(qū)域內(nèi)。利用定量化熒光圖像法獲得的凝膠降解曲線與經(jīng)典重量法獲得的降解曲線具有良好的匹配性（兩種方法計(jì)算的同一時(shí)間的降解百分比之間無(wú)顯著性差異，圖3C和圖3D），因此基于納米碳點(diǎn)實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)可視化監(jiān)測(cè)生物材料體內(nèi)降解可作為評(píng)價(jià)生物體內(nèi)降解的替代方法。基于納米碳點(diǎn)實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)可視化監(jiān)測(cè)生物材料降解方法為組織工程中的生物材料可控降解和便捷篩選體內(nèi)降解提供了新的研究方法。

圖3 納米碳點(diǎn)作為熒光指示劑實(shí)現(xiàn)定量評(píng)價(jià)的水凝膠的體內(nèi)降解行為

  以博士生王磊為第一作者、李保強(qiáng)副教授為唯一通訊作者的論文在國(guó)際生物材料領(lǐng)域權(quán)威期刊Biomaterials（影響因子8.40，DOI：10.1016/j.biomaterials.2017.08.039）上在線發(fā)表。詳見(jiàn)：Wang L., Li B*（通訊聯(lián)系人）., Xu F., Li Y., Xu Z., Wei D., Feng Y., Wang Y., Jia D., and Zhou Y, Visual in vivo degradation of injectable hydrogel by real-time and non-invasive tracking using carbon nanodots as fluorescent indicator. （DOI，2017，10.1016/j.biomaterials.2017.08.039）。

  論文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961217305586

  近年來(lái)，李保強(qiáng)副教授在可注射殼聚糖水凝膠與納米碳材料及其在生物醫(yī)學(xué)、能源/環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用方面取得系列研究成果：在Acta Biomaterialia，影響因子6.32)（2015，卷22，頁(yè)59）、（Biosensors and Bioelectronics，影響因子7.78）（2016，卷79，頁(yè)1）、（Journal of Controlled Release，影響因子7.78）（2017，卷259，頁(yè)9）、（Carbon)（2017，卷122，頁(yè)592，影響因子6.34）、（Sensors and Actuators B: Chemical，影響因子5.40）（2017，卷247，頁(yè)26）、《碳水化合物高分子》（Carbohydrate Polymer，影響因子4.81）（2017，卷174，頁(yè)904）和《材料化學(xué)雜志》（Journal of Materials Chemistry B，影響因子4.53）（2017, DOI: 10.1039/C7TB01114H）等高水平國(guó)際期刊上發(fā)表SCI論文10余篇，并引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。

  個(gè)人主頁(yè)：http://homepage.hit.edu.cn/libq