多糖基薄膜因其具有生物相容性、生物活性和生物可降解性等而備受醫(yī)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注。值得一提的是，多糖基薄膜在生理環(huán)境下的力學(xué)性能衰減和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。
針對該問題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士課題組受到自然界中魚鱗和皮膚等富水生物組織所具有的分級異質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)及其優(yōu)異的力學(xué)性能和穩(wěn)定性啟發(fā)，提出一種基于分子/納米雙尺度網(wǎng)絡(luò)的非均質(zhì)交聯(lián)與水合作用的力學(xué)增強(qiáng)機(jī)制，進(jìn)而制備出一種與單尺度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料相比具有優(yōu)異的濕態(tài)力學(xué)性能的多糖基納米復(fù)合薄膜，進(jìn)一步將功能化修飾的薄膜應(yīng)用于引導(dǎo)骨再生研究，最終展示出所提出的力學(xué)增強(qiáng)機(jī)制的卓越性并將為指導(dǎo)制備先進(jìn)的生物醫(yī)用材料提供更多可能。相關(guān)研究成果發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review 2024, 11, nwad333），中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)交流生肖劍虹、博士生張振邦和李嘉豪為共同第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授和陳思銘副研究員、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院鄒多宏研究員為共同通訊作者。
基于所提出的力學(xué)增強(qiáng)機(jī)制，研究團(tuán)隊首先使用海藻酸鈉（SA）和細(xì)菌纖維素納米纖維（BC）基元，按序結(jié)合鈣離子交聯(lián)和再水合步驟，制備出具有異質(zhì)交聯(lián)水合雙尺度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多糖基納米復(fù)合薄膜。系統(tǒng)性力學(xué)測試（包括單軸拉伸、縫線拉伸和原位撕裂拉伸等）結(jié)果表明，所提出的雙尺度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)合膜較單一尺度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的薄膜在拉伸強(qiáng)度、韌性、楊氏模量、縫線拉力和斷裂能等方面均具有顯著優(yōu)勢（圖1）。
圖1.a. 異質(zhì)交聯(lián)水合雙尺度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多糖基薄膜的制備示意圖。b.BC的透射電鏡圖，呈現(xiàn)出典型的納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。c. 多糖基復(fù)合薄膜的橫截面掃描電鏡圖，海藻酸鈉和細(xì)菌纖維素納米纖維相互交織。d. 具有雙尺度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多糖基納米復(fù)合薄膜的綜合力學(xué)性能。
結(jié)合理論模擬研究，進(jìn)一步分析該力學(xué)增強(qiáng)機(jī)制可知，Ca2+交聯(lián)和水合作用主要發(fā)生于SA分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過Ca2+交聯(lián)和水合后的SA分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，可起到屏障作用限制水分子的過度侵入滲透。在這種情況下，BC納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可免受水分子的侵入影響，有效發(fā)揮力學(xué)增強(qiáng)的作用。整體上，分子尺度和納米尺度雙重網(wǎng)絡(luò)各司其職，最終所構(gòu)筑的復(fù)合薄膜展現(xiàn)出優(yōu)異的濕態(tài)力學(xué)性能，能夠在濕態(tài)條件下穩(wěn)定存在并提供結(jié)構(gòu)支撐，為其在生理環(huán)境的醫(yī)學(xué)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。研究團(tuán)隊對所構(gòu)筑的多糖基薄膜進(jìn)行殼聚糖（CS）-羥基磷灰石（nHAP）薄層功能化修飾，構(gòu)筑出雙層膜，并對其進(jìn)行生物學(xué)應(yīng)用探索。系統(tǒng)性的體內(nèi)、外實驗結(jié)果表明，經(jīng)過功能化修飾后的多糖基薄膜具有良好的生物相容性、抑菌性和成骨性等生物學(xué)性能，展示出在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中巨大的應(yīng)用潛力（圖2-3）。
圖2.a-c.通過功能化修飾而構(gòu)筑出的雙層膜應(yīng)用于引導(dǎo)骨再生（a.雙層膜光學(xué)圖像，b.雙層膜橫截面掃描電鏡圖，c.雙層膜應(yīng)用于引導(dǎo)骨再生示意）。d-h.雙層膜具有良好的生物學(xué)性能（d. 生物相容性，e-f.抑菌性，g-h. 體外誘導(dǎo)成骨性）。
圖3.犬下頜骨修復(fù)實驗表明雙層膜具有良好的成骨能力。
該研究提出了一種仿生異質(zhì)交聯(lián)水合雙尺度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的力學(xué)增強(qiáng)策略，并基于此制備出一種在濕態(tài)環(huán)境下具有優(yōu)異力學(xué)性能的納米復(fù)合薄膜材料，通過功能化薄層修飾展示了該復(fù)合膜在生物醫(yī)學(xué)引導(dǎo)骨再生領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為先進(jìn)仿生醫(yī)用材料的設(shè)計制備提供一條合理的路徑，將促進(jìn)有關(guān)仿生材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
該研究受到新基石研究員項目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省重大基礎(chǔ)研究項目以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)雙一流建設(shè)專項資金等項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad333
（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心，科研部）
