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川大王亞楠教授/新西蘭LASRA Prabakar教授: 通過(guò)雙醛多糖交聯(lián)策略，調(diào)控膠原基生物材料的孔隙結(jié)構(gòu)
2022-04-25  來(lái)源：高分子科技

  膠原基生物材料的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其性能有顯著影響？紫督Y(jié)構(gòu)可由交聯(lián)來(lái)調(diào)節(jié)，但少有研究關(guān)注交聯(lián)劑結(jié)構(gòu)特性對(duì)膠原基質(zhì)多孔性能的調(diào)控機(jī)制。四川大學(xué)輕工學(xué)院王亞楠教授與新西蘭皮革和制鞋研究協(xié)會(huì)（LASRA）Sujay Prabakar教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過(guò)改變羧甲基纖維素鈉的取代度，制備了一系列尺寸相似但醛基含量不同的雙醛羧甲基纖維素鈉（DCMC），并將其用于膠原基質(zhì)的交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)膠原基生物材料孔隙結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控（圖1）。該工作以“Effect of dialdehyde carboxymethyl cellulose crosslinking on the porous structure of collagen matrix”為題發(fā)表在Biomacromolecules上，博士研究生易玉丹為第一作者，王亞楠教授及Sujay Prabakar教授為通訊作者。



圖1. DCMC交聯(lián)對(duì)膠原基生物材料孔隙結(jié)構(gòu)的可控調(diào)節(jié)

 

  雙醛多糖因其高反應(yīng)性、低細(xì)胞毒性和優(yōu)異的生物相容性，可被用作膠原基生物材料的綠色交聯(lián)劑，F(xiàn)有研究重點(diǎn)關(guān)注交聯(lián)后膠原基材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用性能，卻極少研究交聯(lián)劑結(jié)構(gòu)對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)和多孔性能的影響規(guī)律。事實(shí)上，膠原基材料的孔隙結(jié)構(gòu)與其細(xì)胞粘附、增殖、遷移、透水汽及物質(zhì)交換等性能密切相關(guān)。天然膠原基質(zhì)（如皮膚）具有由三螺旋狀膠原分子、微原纖維、原纖維、纖維和纖維束等逐級(jí)自組裝而成的精巧多層級(jí)結(jié)構(gòu)，這也賦予了其多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)，而化學(xué)交聯(lián)能夠極大改變?cè)摻Y(jié)構(gòu)（圖2）。

 


圖2. DCMC交聯(lián)前后膠原多層級(jí)結(jié)構(gòu)的變化

 

  基于此，作者以不同取代度（DS：0.7、0.9、1.2）的羧甲基纖維素鈉為原料，用高碘酸鈉氧化法制備了一系列尺寸相似但醛基含量不同的DCMC交聯(lián)劑，并將其用于膠原基質(zhì)的交聯(lián)。隨著DS的降低，DCMC的醛基含量增加，其與膠原基質(zhì)的交聯(lián)程度（包括共價(jià)交聯(lián)及非共價(jià)交聯(lián)）提高，原纖維D周期減。▓D3）。同時(shí)，膠原基質(zhì)的總孔隙率（圖4）、孔容和Φ > 10 μm的大孔占比（圖5）也顯著升高。其原因是DCMC具有納米級(jí)尺寸，可以滲透到膠原基質(zhì)的原纖維層級(jí)內(nèi)，利用自身高反應(yīng)活性的醛基，與膠原氨基形成分子間/原纖維內(nèi)的化學(xué)交聯(lián)，使得原纖維之內(nèi)/之間的間隙減小，而纖維之間的間隙增大（圖2）。


 

圖3. DCMC交聯(lián)前后膠原基質(zhì)的（a）熱穩(wěn)定性、（b）同步輻射SAXS散射強(qiáng)度、（c）同步輻射SAXS散射強(qiáng)度譜圖中5~3階峰的相對(duì)強(qiáng)度（R5/3）和6~5階峰的相對(duì)強(qiáng)度（R6/5）、（d）D-周期（由SAXS散射強(qiáng)度譜圖分析所得）、（e）橫截面的FESEM圖像（×50,000）  


 
圖4. DCMC交聯(lián)前后膠原基質(zhì)的（a）橫截面的FESEM圖像（×200）、（b）顯微CT圖像及顯微CT評(píng)估程序(V6.6)計(jì)算的孔隙率


 
圖5. 壓汞法測(cè)得DCMC交聯(lián)前后膠原基質(zhì)的（a）（b）孔徑分布及孔隙率、（c）總孔容

 

  上述結(jié)果證明，通過(guò)改變DCMC交聯(lián)劑的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)其在膠原基質(zhì)各層級(jí)中的滲透和交聯(lián)，能夠有效調(diào)控膠原基材料的微觀孔隙結(jié)構(gòu)。該調(diào)控機(jī)制的建立可為相應(yīng)生物材料的制備提供指導(dǎo)。 


  論文信息：Yi Yudan, Zhang Yi, Mansel Bradley, Wang Ya-nan*, Prabakar Sujay*, Shi Bi. Effect of dialdehyde carboxymethyl cellulose cross-linking on the porous structure of the collagen matrix. Biomacromolecules, 2022, 23(4): 1723?1732.

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c01641

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