《ACS Nano》功能共组装有机-无机水凝胶用于分层矿化和新生血管形成

文章来源：北科新材浏览次数：3694时间：2021-06-30 QQ学术交流群：1092348845

摘要

结合有机和无机成分的合成纳米结构材料由于不同成分的固有特性的独特但互补的性质，为广泛应用提供了一类独特、强大和通用的材料。最近，伦敦玛丽女王大学Alvaro Mata教授团队报告了一种基于合成纳米粘土（Laponite，Lap）和肽两亲物（PAs，PAH3）的超分子系统，其设计合理，可共同组装成具有高结构完整性和一系列生物活性的纳米结构水凝胶。

利用光谱和散射技术以及分子动力学模拟方法来确认PAH3纳米纤维静电吸附并符合 Lap 纳米盘的表面。电子和原子力显微镜也证实了与 Lap 共组装后 PAH3 纳米纤维的直径和表面积增加。动态振荡流变学表明，共组装的 PAH3-Lap 水凝胶显示出高刚度和强大的自愈行为，而气体吸附分析证实了分层和异质孔隙度。此外，三维 (3D) 矩阵中的这种独特结构为高纵横比羟基磷灰石纳米棒在3D矩阵内成核和分层组织成明确定义的球形簇提供了空间限制。有机-无机PAH3-Lap水凝胶的适用性在体外使用人骨髓基质细胞(hBMSCs)和体外使用鸡绒毛尿囊膜(CAM)测定进行评估。结果表明，有机-无机PAH3-Lap水凝胶促进人体骨骼细胞增殖，并在矿化后与 CAM 结合，被血管浸润，刺激细胞外基质产生，并促进相对于对照的广泛矿物质沉积。相关论文以题为De Novo Design of Functional Coassembling Organic–Inorganic Hydrogels for Hierarchical Mineralization and Neovascularization发表在《ACS Nano》上。

主图

图 1. 剥离的 Lap 纳米盘 (-ve) 和 PA (+ve) 的超分子共组装，以创建能够引导羟基磷灰石晶体成核和分级生长的 3D 水凝胶。

图 4. 水凝胶的表面和机械性能。(a) PAH3-Lap 水凝胶制备的示意图。(b) 与 PAH3-Lap 水凝胶相比，PAH3 和 Lap 的储存 (G ) 和损失 (G ) 模量。(c) 时间扫描流变仪显示 PAH3 和 PAH3-Lap 水凝胶的触变性。(d) 光学图像显示 PAH3-Lap 水凝胶的坚固性和自愈能力。(e) PAH3（方形曲线）、Lap（圆形曲线）和 PAH3-Lap（三角形曲线）干凝胶的 N2 吸附等温线。(f) PAH3、Lap 和 PAH3-Lap 干凝胶的累积孔体积。

图 5. 水凝胶中的生物矿化。

图 7. PAH3-Lap 水凝胶的生物学适用性。

总结

该团队开发了一种共组装有机-无机水凝胶平台，用于体外晶体生长，由 3D 超分子限制框架内的颗粒附着机制介导。设计策略取决于 Lap 纳米盘和阳离子 PAH3 分子之间的静电相互作用，以将有机和无机组分的固有特性整合到独特的有机-无机水凝胶结构中。所得材料显示出高表面积、高机械性能和自修复性能。此外，共组装的 PA-Lap 水凝胶显示出一种纳米级结构，可作为羟基磷灰石从有序纳米棒分级生长到明确定义的球形簇的密闭空间。该研究探索了这种矿化机制，作为一种仿生 3D 模型来调节氟化羟基磷灰石的成核和时空组织。

该模型用于了解 PAH3-Lap 水凝胶中的 Lap 纳米盘和 PAH3 纳米纤维在指导羟基磷灰石纳米棒跨多个长度尺度的生长方面的作用。在原子水平上，PAH3-Lap 的矿化取决于扩散驱动的过程，其中局部离子浓度和过饱和是由与 Lap 的超分子相互作用介导的。此外，PAH3-Lap 水凝胶的纳米级结构促进了纳米棒晶体的嵌入和随后在微米尺度上生长成独特的球形簇。有趣的是，这些矿化 PAH3-Lap 纳米复合水凝胶在支持细胞生长、刺激细胞进入、血管浸润、ECM 产生和 CAM 模型中的矿物质沉积方面优于所有对照组。除了这些优势之外，该系统的剪切稀化特性使其成为适合用作 3D 打印应用的生物墨水的材料。总的来说，这项研究提出了一种纳米技术方法来设计集成和高阶自组装纳米材料，在再生医学中具有潜在的广泛应用。

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