2022年2月9日功能

裁剪胶原基生物医学材料

作者:Thamarasee Jeewandara, Mbob游戏edical express

胶原蛋白是一种构建块，可以分层地组装成不同的形态结构，这些结构可以动态地适应外部线索。材料科学家在指导胶原蛋白分层组织的出现以在实验室中重新获得其生物结构和功能的丰富性方面的能力有限。在一份新报告中科学的进步中国和美国的材料科学、医学和科学技术研究团队描述了一种电组装途径，可以为胶原蛋白建立中间熔融纤维状态。中间态在结构上由部分排列和可逆相关的原纤维组成，具有有限的层次结构。他们可逆地重新配置了熔融原纤维，使其具有基于刺激的硬化、收缩、自修复和自成型等动态特性，并引导熔融原纤维进一步组装和再现天然胶原蛋白的结构特征。这些结果为定制基于胶原蛋白的生物医学材料提供了迄今尚未确定的方法。

胶原蛋白作为生物建筑材料

结构蛋白是生物学中重要的组成部分，通过各种分子相互作用，将其分层组装成复杂的形态结构调节功能特性。胶原蛋白就是一个典型的例子三螺旋分子可用于跨长度和规模的层次结构进行组织。这样的组件可以通过可逆的相互作用来连接，以实现结构重新配置和自适应功能特性。例如，与海参的相互作用描述了胶原原纤维的动态交联，以可逆地调整其生物力学和避免捕食。这种动态也可以通过细胞迁移和自组织促进伤口愈合和重塑。这些结构在生理环境中的例子包括交联胶原微原纤维透明的角膜，胶原原纤维骨骼和牙齿，皮肤和艰难的肌腱。在这项工作中，Lei等人描述了具有部分排列的纤维结构的胶原蛋白的中间熔融纤维状态的电组装，但具有有限的分层组织。他们期望胶原蛋白的中间熔融纤维状态的电组装提供以前未发现的机会，以形成基于胶原蛋白的生物医学材料，模仿并结合天然胶原蛋白和胶原蛋白材料的结构特性。

以熔融纤维状态对胶原蛋白进行电组装

Lei等人首先从猪的皮肤在乙酸中形成透明的分子溶液。然后，当溶液的pH值升高时，他们通过施加阴极电压诱导胶原溶液自组装到钛箔上。为了进行比较，研究小组通过a传统的方法。这种胶原蛋白水凝胶膜保持不透明的乳白色外观，称为SA-Col，并保持半透明。电组装胶原蛋白(指定为EA-Col)的高透明度可以通过化学交联来稳定，这对需要长期透明度的角膜植入物等生物医学应用有好处。Lei等人使用扫描电子显微镜和透射电子显微镜显示了组织致密、纤维丝状表面排列整齐的EA-Col薄膜的微观结构。他们注意到直径为10纳米的原纤维的组织。然后利用纳米结构分析，他们进行了同步加速器小角度x射线散射以突出不同的，部分排列的EA-Col网络的纤维结构，以响应施加的电场。

熔融纤维对机械力的动态适应性

科学家们接下来研究了熔融纤维在机械力作用下的动态稳定性。他们通过获得具有代表性的应力应变曲线来实现这一目标，该曲线显示了熔融纤维网络的弱点，该网络经历了大变形和逐渐断裂。而静态纤维网络在拉伸-释放实验中具有较高的模量、较小的变形和脆性断裂。为了进一步研究熔融纤维的力学特性，Lei等人进行了多周期动态拉伸加载测量，以注意到杨氏模量在每个连续加载周期中。然后，他们研究了胶原组织结构的机械变异性，以实现关键的生理功能。例如，在自然界中，海参可以迅速硬化它们的连接网络避免捕食依赖于相邻胶原原纤维间相互作用的可逆调节。受到这种相互作用的启发，Lei等人加入了他认为离子这可以影响疏水(疏水)相互作用，以加强胶原原纤维网络的内部连接。胶原蛋白的自适应熔融纤维状态对离子的反应非常灵敏，可以调节熔融纤维网络的物理交联，促进其力学性能的提高。

纤维网络在体内的动态力学功能及进一步实验

由于熔融纤维网络的强化过程受到他认为效果是可逆的，团队试图开发生物医学概念，以突出结构的可调节和紧急属性，从而满足可以随时间机械变化的设计目标。例如，在一些外科手术中，外科医生在动脉周围植入一个绷带收缩血流并保护易受高血压影响的下游部位。手术后，这条绑带应该很结实，随着时间的推移，它应该放松以允许更多的血液流动。因此，满足这一医疗要求的理想材料应具有在体内条件下动态松弛的机械性能。通过霍夫迈斯特盐强化的熔融纤维网络可以提供足够的强度，使盐从网络中浸出时松弛，一段时间后，该结构将通过初步的生物降解被吸收。此后，该团队测试了通过调节静电相互作用来重新配置熔融纤维网络结构和性能的可能性。随后进行了实验，以突出材料的刺激收缩和自愈特性受到头足类动物的启发创建3D复杂形状，并形成生物执行器，软机器人和其他智能仿生设备的有前途的候选应用。

前景

实验结果强调了胶原蛋白电组装过程中中间熔融纤维状态的形成，通过响应性物理相互作用连接。这一特性允许将外部线索整合到熔融纤维网络中，以产生仿生动态多功能。该团队进行了进一步的实验，以产生高阶结构特征，包括肌腱组织的仿生学概述肌腱胶原蛋白的天然微结构。通过这种方式，苗磊及其同事描述了一种形成中间熔融体的电制造方法原纤维胶原蛋白的状态。这种状态是自适应的，可以引导形成更高级的有序结构，整合天然胶原基组织的结构和功能特性。该团队基于这些结果展望了未来在三个广泛领域的工作，包括额外的基础研究、增材制造方法和集成胶原蛋白再生医学的基础材料，包括通过骨组织工程修复骨角膜或肌腱置换术。