定制基于膠原蛋白的生物醫(yī)學(xué)材料

膠原蛋白是一個構(gòu)建塊，可以分層組裝成不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以動態(tài)地適應(yīng)外部線索。材料科學(xué)家在引導(dǎo)膠原蛋白分層組織的出現(xiàn)以在實驗室中重新獲得其豐富的生物結(jié)構(gòu)和功能方面的能力有限。在現(xiàn)在發(fā)表在《科學(xué)進展》上的一份新報告中，苗磊和中國和美國的材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)和科技研究團隊描述了一種電組裝途徑，以建立膠原蛋白的中間熔融原纖維狀態(tài)。中間狀態(tài)在結(jié)構(gòu)上由部分排列和可逆相關(guān)的原纖維組成，具有有限的層次結(jié)構(gòu)。他們可逆地重新配置熔融原纖維以提供動態(tài)特性，例如基于刺激的硬化、收縮、自愈和自塑特性，并引導(dǎo)熔融原纖維進一步組裝和概括天然膠原蛋白的結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果提供了迄今為止尚未確定的方法來定制基于膠原蛋白的生物醫(yī)學(xué)材料。

膠原蛋白作為生物建筑材料

結(jié)構(gòu)蛋白通過各種分子相互作用形成生物學(xué)中的重要組成部分，以將它們的分層組裝成復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)以調(diào)節(jié)功能特性。膠原蛋白是一個經(jīng)典的例子，其中三螺旋分子可用于組織長度和尺度的層次結(jié)構(gòu)。這樣的組件可以通過可逆的相互作用連接起來，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)重新配置和自適應(yīng)功能特性。例如，與海參的相互作用描述了膠原原纖維的動態(tài)交聯(lián)，以可逆地調(diào)整其生物力學(xué)并避免捕食. 這種動力學(xué)還可以通過細胞遷移和自組織促進傷口愈合和重塑。生理環(huán)境中的這些結(jié)構(gòu)的例子包括透明角膜的交聯(lián)膠原微纖維、骨骼和牙齒的膠原纖維、皮膚和堅韌的肌腱。在這項工作中，雷等人。描述了具有部分對齊的原纖維結(jié)構(gòu)但具有有限的層次組織的膠原的中間熔融原纖維狀態(tài)的電組裝。他們期望膠原的中間熔融原纖維狀態(tài)的電組裝能夠提供以前未知的機會來形成基于膠原的生物醫(yī)學(xué)材料，這些材料模仿和結(jié)合天然膠原和膠原材料的結(jié)構(gòu)特性。

膠原蛋白 I 的電組裝和溶液組裝。(A) 膠原蛋白 I 溶液和方案的圖片說明 (B) 具有優(yōu)異透明度的 EA-Col 薄膜的電組裝和 (C) 具有不透明外觀的 SA-Col 薄膜的溶液組裝. 圖片來源：華東理工大學(xué)ML。掃描電子顯微鏡/透射電子顯微鏡 (SEM/TEM) 顯微照片、同步加速器二維小角度 X 射線散射 (2D SAXS) 散射模式以及 (D 到 F) EA-Col 和 (G 到 I) 的 1D SAXS 剖面) SA-上校。(F) 中 EA-Col 向更高 q 的轉(zhuǎn)變表明其更緊密的堆積結(jié)構(gòu)，并且與 SA-Col 相比，EA-Col 沒有 D 帶特征。(I) 中計算的 62.7 nm 的 D 帶空間接近 (G) 中 64.5 nm 的測量值。au，任意單位。(J) EA-Col 通過亞甲藍快速溶解在 0.1 M HAc 或 0.1 M 尿素(氫鍵中斷劑)中可視化，分別表明 EA-Col 中的內(nèi)部可逆相互作用。(K) SA-Col 在上述溶液中相當(dāng)穩(wěn)定，當(dāng)暴露在 HAc 溶液中時僅膨脹一點，表明 SA-Col 中存在不可逆的相互作用。圖片來源：ML，華東理工大學(xué)?？茖W(xué)進展，10.1126/sciadv.abl7506

具有熔融原纖維狀態(tài)的膠原蛋白的電組裝

雷等人。首先從豬皮中獲得酸溶膠原蛋白，在醋酸中形成透明的分子溶液。然后，當(dāng)溶液的 pH 值升高時，他們通過施加陰極電壓誘導(dǎo)膠原溶液自組裝到鈦箔上。作為比較，該團隊通過傳統(tǒng)方法制備了大致相同厚度的膠原膜。這種膠原水凝膠膜保持不透明的乳白色外觀，稱為SA-Col，并保持半透明。電組裝膠原蛋白(命名為 EA-Col)的高透明度可以通過化學(xué)交聯(lián)來穩(wěn)定，這對生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用有好處，包括需要長期透明性的角膜植入物。雷等人。用過的掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡顯示具有致密組織和排列的纖維絲狀表面的 EA-Col 薄膜的微觀結(jié)構(gòu)。他們注意到直徑為 10 nm 的原纖維的組織。然后使用納米結(jié)構(gòu)分析，他們進行同步加速器小角度 X 射線散射，以突出 EA-Col 網(wǎng)絡(luò)的獨特、部分對齊的原纖維結(jié)構(gòu)，以響應(yīng)施加的電場。

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