王亚楠教授/新西兰LASRA Prabakar教授: 通过双醛多糖交联策略,调控胶原基生物材料的孔隙结构

点击数:2632022-04-26 08:49:39 来源: 四川大学 制革清洁技术国家工程研究中心

摘要:王亚楠教授与新西兰皮革和制鞋研究协会(LASRA)Sujay Prabakar教授联合团队通过改变羧甲基纤维素钠的取代度,制备了一系列尺寸相似但醛基含量不同的双醛羧甲基纤维素钠(DCMC),并将其用于胶原基质的交联,实现了对胶原基生物材料孔隙结构的有效调控。

  胶原基生物材料的孔隙结构对其性能有显著影响。孔隙结构可由交联来调节,但少有研究关注交联剂结构特性对胶原基质多孔性能的调控机制。四川大学轻工学院王亚楠教授与新西兰皮革和制鞋研究协会(LASRA)Sujay Prabakar教授联合团队通过改变羧甲基纤维素钠的取代度,制备了一系列尺寸相似但醛基含量不同的双醛羧甲基纤维素钠(DCMC),并将其用于胶原基质的交联,实现了对胶原基生物材料孔隙结构的有效调控(图1)。该工作以“Effect of dialdehyde carboxymethyl cellulose crosslinking on the porous structure of collagen matrix”为题发表在Biomacromolecules上,博士研究生易玉丹为第一作者,王亚楠教授及Sujay Prabakar教授为通讯作者。


1. DCMC交联对胶原基生物材料孔隙结构的可控调节

  双醛多糖因其高反应性、低细胞毒性和优异的生物相容性,可被用作胶原基生物材料的绿色交联剂。现有研究重点关注交联后胶原基材料在生物医学领域的应用性能,却极少研究交联剂结构对材料微观结构和多孔性能的影响规律。事实上,胶原基材料的孔隙结构与其细胞粘附、增殖、迁移、透水汽及物质交换等性能密切相关。天然胶原基质(如皮肤)具有由三螺旋状胶原分子、微原纤维、原纤维、纤维和纤维束等逐级自组装而成的精巧多层级结构,这也赋予了其多级孔隙结构,而化学交联能够极大改变该结构(图2)。



图2. DCMC交联前后胶原多层级结构的变化
  基于此,作者以不同取代度(DS:0.7、0.9、1.2)的羧甲基纤维素钠为原料,用高碘酸钠氧化法制备了一系列尺寸相似但醛基含量不同的DCMC交联剂,并将其用于胶原基质的交联。随着DS的降低,DCMC的醛基含量增加,其与胶原基质的交联程度(包括共价交联及非共价交联)提高,原纤维D周期减小(图3)。同时,胶原基质的总孔隙率(图4)、孔容和Φ > 10 μm的大孔占比(图5)也显著升高。其原因是DCMC具有纳米级尺寸,可以渗透到胶原基质的原纤维层级内,利用自身高反应活性的醛基,与胶原氨基形成分子间/原纤维内的化学交联,使得原纤维之内/之间的间隙减小,而纤维之间的间隙增大(图2)。



图3. DCMC交联前后胶原基质的(a)热稳定性、(b)同步辐射SAXS散射强度、(c)同步辐射SAXS散射强度谱图中5~3阶峰的相对强度(R5/3)和6~5阶峰的相对强度(R6/5)、(d)D-周期(由SAXS散射强度谱图分析所得)、(e)横截面的FESEM图像(×50,000)


图4. DCMC交联前后胶原基质的(a)横截面的FESEM图像(×200)、(b)显微CT图像及显微CT评估程序(V6.6)计算的孔隙率


5. 压汞法测得DCMC交联前后胶原基质的(a)(b)孔径分布及孔隙率、(c)总孔容

 

  上述结果证明,通过改变DCMC交联剂的结构,调节其在胶原基质各层级中的渗透和交联,能够有效调控胶原基材料的微观孔隙结构。该调控机制的建立可为相应生物材料的制备提供指导。 

论文信息:

  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.

原文链接:

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


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