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针对生物医学应用开发的新型光响应水凝胶

2019-10-29 11:52:07

3-D打印的可移植器官听起来像科幻小说,但是由于高分子化学的进步,它们可能成为现实。刺激响应水凝胶代表一类广泛的软材料,当施加某些外部触发因素时,它们会改变其机械性能。去年,化学助理教授乔纳森·巴恩斯(Jonathan Barnes)的实验室研究人员用一种聚合物制成了一种新型的人造分子肌,这种聚合物在暴露于蓝光时会改变颜色并收缩。相似的材料有望实现广泛的应用,尤其是在医学领域。

Barnes开始研究水凝胶是因为他想开发一种在致动时可以改变形状,大小和机械性能的材料,就像我们的肌肉在扩张和收缩时一样。巴恩斯回忆说:“很多人说我们永远都不会得到我们所希望的收缩量,但实际上收缩作用比我们想象的要好。”

在6月17日发表在ACS Applied Materials&Interfaces杂志上的“可逆水凝胶光致图案化:使用可见光光氧化还原催化作用对凝胶力学性能进行时空控制”中,Barnes的实验室提出了一种新型的响应性聚合物,该聚合物建立在成功的较早的研究。该团队的新工作着眼于开发可以承受重负荷的柔软,生物相容性材料,即可能特别适合假肢或可移植器官等医疗用途的材料。

该论文的主要作者,巴恩斯实验室的博士后研究员Faheem Amir说,这类研究解决了当前的技术空白。他解释说:“活体系统中的细胞面对3D环境,但是对细胞进行的大多数研究都是在2D材料上进行的。” 坚固,柔软而有弹性的水凝胶可以为像Amir这样的科学家提供一种将细胞引入3-D系统并观察细胞在不同条件下的行为的方式。

该团队重新设计了聚合物反应背后的化学反应,以使用生物相容性聚合物制造新的水凝胶。当前用于隐形眼镜的基础材料具有更大的弹性,可以更好地支持3-D细胞网络。

自最初取得成功以来,该团队一直在努力提高反应速度及其激活方法。早期的水凝胶需要浸入化学还原溶液中,但该团队的新材料通过在水凝胶网络中加入光催化剂来对可见光作出反应。这种化学领域的热点被称为光氧化还原催化,它极大地扩展了Barnes实验室水凝胶的可用性。

“我们正在使用光催化剂来吸收光并将电子转移到聚合物中,从而激活该材料。一旦我们关闭光并且该材料暴露于周围空气中的氧气,它就会逆转这一过程。” Barnes解释。“它就像海绵。当我们将所有水推出时,它会变小,但是当您将其放回水中时,它会膨胀回去。这与自然,机械系统(如肌肉)中的过程相同”。

一旦团队知道该过程将使用可见光工作,他们便希望通过照射光并激活凝胶中非常精确的位置(而不是全部)来改善其应用。这就是本研究的重点:新的水凝胶不仅可以像以前的迭代那样致动,而且可以精确地致动吗?

阿米尔报告了在几个领域的成功。他说:“该工艺使软质材料的刚度,抗张强度和断裂伸长率显着提高,所有这些都可以通过在水中的氧化和溶胀很容易地逆转。” 水凝胶还可以实现精确的空间分辨率并控制激活发生的位置,该团队通过对美国国旗设计进行光图案化来说明。

现在,巴恩斯实验室的研究人员已经对水凝胶的活化进行了空间控制,他们可以与华盛顿大学医学院(WUSM)合作,针对生物医学应用优化水凝胶。巴恩斯说:“我们对器官的基本结构了解得足够多,原则上我们应该能够对它们进行3D打印,但是我们缺乏材料。”

巴恩斯实验室的研究人员接下来将重点展示其水凝胶具有足够的耐久性,足以支持将细胞悬浮在3-D基质中的应用。能够在三个维度上激活特定区域是在3-D细胞培养物中成功生长组织的关键一步。该材料的进一步改进将包括用其他波长的光(例如红外光)激活它,从而可以通过人体组织进行非侵入性激活。最终目标将是创造一种可注射的,可3D打印的定制水凝胶(一种由患者自己的组织构建的个性化“生物墨水”),只需通过在皮肤上照射光就可以选择性地激活它。这将允许在体内高度专业化的应用。

“向前,我们已经与WUSM的Moe Mahjoub博士建立了合作关系,我们正在研究光诱导驱动对细胞行为的影响,” Amir说。合作者希望他们的致动水凝胶能够模仿人体组织,从而为在众多应用中使用提供一个通用平台。团队关键技术的多功能性,即可聚合的交联剂,支持了这一目标:研究人员可以将其交联剂与任何单体结合使用,以创建具有精心调整的特性和机械性能的定制聚合物。

“我们的想法是,没有人想到可以实际显示出与这些材料具有生物医学相关性的观点。这超越了基础化学,甚至超越了WashU,在全国乃至全世界建立了合作关系”,巴恩斯说。这项研究在去年4月的美国化学学会(ACS)会议上进行了介绍。观看巴恩斯(Barnes)的完整演讲,` `来自肌肉的材料会随着光线的变化而收缩和收缩 '',来自ACS Orlando 2019。

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