華理劉昌勝/屈雪、馬里蘭大學(xué)Gregory F. Payne AS：電分選策略構(gòu)建組成/微結(jié)構(gòu)雙梯度Janus引導(dǎo)骨再生膜
在組成/結(jié)構(gòu)上具備異質(zhì)性特征的生物材料能夠更靈活地定制局部特性，從而提供更為豐富的生物學(xué)功能，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的需求越來越大。受控的異質(zhì)性（如梯度）是生物系統(tǒng)中的普遍特征，其中包括分子類型或濃度的空間變化與形態(tài)結(jié)構(gòu)的空間變化，例如孔徑和孔隙率。然而，目前能夠集成組分和微結(jié)構(gòu)梯度特征的生物材料制造技術(shù)仍然十分缺乏。
近期，華東理工劉昌勝院士/屈雪教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種電分選技術(shù)，利用殼聚糖與明膠分子的pH依賴的帶電特性誘導(dǎo)二者在電場作用下的差異化電泳和自組裝行為(即，在低pH條件下，殼聚糖與明膠分子均帶正電，同時(shí)向陰極電泳；中間pH條件，明膠發(fā)生電荷反轉(zhuǎn)，與帶正電的殼聚糖發(fā)生靜電相互作用；高pH條件，殼聚糖脫質(zhì)子化自組裝，而帶負(fù)電的明膠分子被陰極排斥遠(yuǎn)離電極)，實(shí)現(xiàn)明膠/殼聚糖均相混合物的組成分選，從而構(gòu)建具有成分梯度（即，從殼聚糖的富集層到明膠的富集層）和可調(diào)節(jié)的致密/多孔梯度結(jié)構(gòu)（孔隙率、孔徑以及致密層與多孔層的比率）的Janus薄膜，其在引導(dǎo)骨再生的應(yīng)用中展示出多重功能：包括柔韌的機(jī)械性能，各向異性的界面潤濕性、傳質(zhì)（定向生長因子釋放）和差異化細(xì)胞調(diào)控（防止成纖維細(xì)胞浸潤，促進(jìn)成骨細(xì)胞生長和分化）等。總的來說，這項(xiàng)工作展示了電組裝在梯度化功能生物材料定制方面的巨大潛力。具體成果以 “Electro-Sorting Create Heterogeneity: Constructing A Multifunctional Janus Film with Integrated Compositional and Microstructural Gradients for Guided Bone Regeneration”發(fā)表在《Advanced Science》上。
【材料設(shè)計(jì)思路、制備及應(yīng)用】
電組裝是一種新興的增材制造方法，它利用施加的電信號（通常< 5 V）引導(dǎo)電極表面（或附近）的材料組裝。電極施加的信號可以提供時(shí)空控制的線索來組裝具有成分和微觀結(jié)構(gòu)控制的生物大分子材料。一方面，電場提供誘導(dǎo)帶電生物大分子鏈向指定電極遷移的提示，從而選擇性地從溶液中富集它們。另一方面，電極反應(yīng)可以產(chǎn)生分子線索，可以誘導(dǎo)溶膠/凝膠轉(zhuǎn)變并生成分層組裝結(jié)構(gòu)（例如，H2O2的陰極電解可以局部產(chǎn)生OH-離子），例如圖1a展示的電信號觸發(fā)的殼聚糖自組裝過程。在這項(xiàng)工作中，他們發(fā)現(xiàn)電子輸入可以“分選”明膠和殼聚糖的均勻雙組分混合物，從而形成集成組分和微觀結(jié)構(gòu)梯度的Janus 薄膜。從組分上看，這種薄膜呈現(xiàn)出從富含殼聚糖的材料層到富含明膠的材料層的過渡。在結(jié)構(gòu)上，這種薄膜呈現(xiàn)出從致密層到多孔層的梯度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，如圖1b所示。這項(xiàng)工作進(jìn)一步證實(shí)了這種Janus薄膜在引導(dǎo)骨再生（GBR）中的多重功能：面對結(jié)締組織的薄膜富含殼聚糖且致密，提供了足夠的機(jī)械支撐，以防止薄膜塌陷并充當(dāng)防止成纖維細(xì)胞侵入的屏障；面對骨缺損的薄膜富含明膠且多孔，為成骨細(xì)胞粘附、增殖和分化提供了適宜的微環(huán)境。此外，Janus薄膜的梯度結(jié)構(gòu)賦予了薄膜柔韌的力學(xué)特性和各向異性的潤濕性，使手術(shù)操作順應(yīng)性更高強(qiáng)。各向異性的多孔結(jié)構(gòu)允許生長因子（BMP-2）的定向運(yùn)輸，進(jìn)一步強(qiáng)化骨再生，如圖1c所示。
圖1. (a) 電信號的輸入提供了控制殼聚糖電組裝的兩個(gè)線索：電解反應(yīng)產(chǎn)生的pH線索誘導(dǎo)殼聚糖鏈去質(zhì)子化和自組裝；電場信號誘導(dǎo)陽離子殼聚糖鏈遷移。(b) 電子輸入可以“分類”蛋白質(zhì)明膠和多糖殼聚糖的均勻混合物，并提示具有成分和微觀結(jié)構(gòu)集成梯度的Janus薄膜的出現(xiàn)。(c) 具有梯度特征的Janus薄膜作用于結(jié)締組織和骨之間的界面，使其在引導(dǎo)骨再生中發(fā)揮各種功能：富含殼聚糖的致密面提供機(jī)械支撐并且阻止成纖維細(xì)胞向內(nèi)生長，而殼聚糖/明膠-多孔面促進(jìn)成骨細(xì)胞生長和分化。
圖2. 殼聚糖/明膠的均勻混合物的電分選機(jī)制以及Janus薄膜的組分與微結(jié)構(gòu)梯度的動(dòng)力學(xué)形成過程。(a) 沉積過程中不同區(qū)域內(nèi)殼聚糖與明膠分子鏈的相互作用及電分選機(jī)制：在低pH條件，殼聚糖與明膠分子均帶正電，互相排斥但同時(shí)向陰極電泳；中間pH條件，明膠發(fā)生電荷反轉(zhuǎn)，與帶正電的殼聚糖發(fā)生靜電相互作用；高pH條件，殼聚糖脫質(zhì)子化自組裝，而帶負(fù)電的明膠分子被陰極排斥。(b)殼聚糖和明膠（均為 0.1% w/v）及其等比例混合物的Zeta電位的pH依賴性。 (c) ITC測量揭示了中間pH狀態(tài)下殼聚糖和明膠之間的吸熱相互作用（pH約為5；瓊脂用作非相互作用對照），以及 (d-e) 中間 pH 狀態(tài)下殼聚糖和明膠之間吸熱相互作用的比較pH (pH≈5) 和稍低的 pH (pH≈4) 表明相互作用隨著pH的降低而減弱。(f) 高分辨率橫截面熒光圖像和相應(yīng)的圖像強(qiáng)度顯示了薄膜的成分梯度。(g) ATR-FTIR光譜顯示薄膜兩個(gè)面之間的成分差異。流體通道內(nèi) (h) 殼聚糖/明膠混合物和 (i) 殼聚糖的動(dòng)力學(xué)組裝過程的原位觀察。所得 (j) 明膠-殼聚糖膜兩個(gè)表面和橫截面的SEM圖像及其光學(xué)外觀。(l) 用于原位觀察的流體通道裝置示意圖。
圖3. Janus 殼聚糖/明膠薄膜的機(jī)械性能和表面潤濕性。(a) 光學(xué)圖像證明了Janus薄膜的柔韌性（殼聚糖/明膠比例為6/4；電組裝參數(shù)為6.67 mA/cm2 1000秒）：濕膜可以扭曲（打結(jié)和解開成結(jié)），干膜可以折疊成緊湊的星形結(jié)構(gòu)。(b)通過液滴對干膜的致密ElecFace或多孔SolcFace進(jìn)行潤濕。(c) 動(dòng)態(tài)水接觸角測量表明，多孔SolcFace促進(jìn)液體擴(kuò)散，而致密ElecFace則呈現(xiàn)疏水性。(d) 干膜的致密ElecFace和多孔SolcFace與濕豬皮表面的貼敷能力不同。
圖4. Janus 薄膜的單向釋放功能評價(jià)。(a) 將模型蛋白牛血清白蛋白 (BSA) 加載到 Janus 膜的多孔層中并測量其方向依賴性釋放的圖示。(b) BSA釋放到擴(kuò)散池兩個(gè)隔室中的圖像； i) Janus Chit/Gelatin膜；ii)通過流延和冷凍干燥制備的多孔Chit/Gelatin對照膜；iii) 通過流延制備的致密Chit/Gelatin對照膜（注：將考馬斯亮藍(lán) G250 添加到兩個(gè)室中的溶液中以方便觀察）。(c) 實(shí)時(shí)觀察 BSA 從薄膜釋放到兩個(gè)室溶液中的情況 (n = 4)，從上圖可以看出，BSA可以被Janus Chit/Gelatin膜定向緩釋。
圖5. Janus Chit/Gelatin薄膜的纖維細(xì)胞屏障功能以及分別具有Janus結(jié)構(gòu)和致密結(jié)構(gòu)的Chit/Gelatin薄膜負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP-2）后的大鼠顱骨缺損模型中引導(dǎo)骨再生的評價(jià)。(a) 實(shí)驗(yàn)方法，其中細(xì)胞冠插入物用交聯(lián)膜（致密面朝上或多孔面朝上）密封并放置在孔板上以隔離上部和下部體積以評估各向異性細(xì)胞引導(dǎo)。(b) 3D 熒光圖像顯示Janus膜的致密層可以屏障L929成纖維細(xì)胞。(c) 術(shù)后8周拍攝的治療后顱骨缺損的顯微 CT 成像；(d) 8周修復(fù)期后不同組中新形成骨的Van Gieson染色結(jié)果與礦化的熒光標(biāo)記組織結(jié)果（紅色，4-6 周；綠色，6-8 周）。
本工作展示了電信號調(diào)控生物大分子各向異性組裝的巨大潛力。施加的電信號可用于對多組分生物大分子進(jìn)行分類，以創(chuàng)建具有成分和結(jié)構(gòu)梯度的高性能生物材料。論文的第一作者為華東理工“博新計(jì)劃”獲得者雷淼博士后，華東理工碩士研究生廖海濤為論文共同第一作者。論文第一單位為華東理工大學(xué)。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金，111計(jì)劃，上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目，上海市揚(yáng)帆計(jì)劃及中國博士后科學(xué)基金會(huì)等項(xiàng)目的資助。特別鳴謝美國馬里蘭大學(xué)Gregory F. Payne教授以及華東理工大學(xué)王詩佳碩士對本研究的杰出貢獻(xiàn)。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202307606
