微納米光影印法工藝綠色制備高分子生物材料及其在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用

醫(yī)用高分子材料按照用途，可分為心血管系統(tǒng)、軟組織及硬組織等修復(fù)材料等。這些材料除應(yīng)滿(mǎn)足一般的物理、化學(xué)性能要求外，還必須具有足夠好的生物相容性，例如，用于心血管系統(tǒng)的醫(yī)用高分子材料應(yīng)當(dāng)著重要求其抗凝血性好，不破壞紅細(xì)胞、血小板，不改變血液中的蛋白并不干擾電解質(zhì)等。

以大幅度改善生物醫(yī)用材料與生物體的相容性為目標(biāo)，北京市生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心常凌乾教授與浙江工業(yè)大學(xué)陳楓副教授、浙江大學(xué)附屬第二醫(yī)院劉震杰副主任醫(yī)師合作，結(jié)合紫外光引發(fā)和巰基“click”聚合兩種方法，使用光影印法制備了一系列力學(xué)性能優(yōu)異、無(wú)毒無(wú)污染、生物可降解的微米級(jí)表面圖案化高分子材料。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)前期已經(jīng)在傳統(tǒng)生物惰性材料上驗(yàn)證了技術(shù)可行性，實(shí)現(xiàn)在生物惰性PDMS表面上，紫外光引發(fā)巰基“click”固定修飾具有生物活性的聚多巴胺(PDA)納米微球。通過(guò)調(diào)控PDA的微觀(guān)聚集形貌（納米微球或光滑薄膜），賦予PDMS材料表面pH響應(yīng)的的親/疏水、蛋白質(zhì)吸/脫附表面摩擦系數(shù)改變；同時(shí)大幅改善細(xì)胞在材料表面的生長(zhǎng)情況(ACS Appl. Bio Mater., 2018, 1(6): 2167-2175)。并采用紫外光引發(fā)和巰基“click”聚合制備高精度3維血管支架，相比較商用光固化樹(shù)脂體系(PEGDMA)，反應(yīng)樹(shù)脂體系無(wú)有機(jī)溶劑和光引發(fā)劑，光固化材料無(wú)小分子殘留，生物相容性好，拉伸強(qiáng)度高，柔韌性好，成型精度高(Chem. Eng. J., 2019, 366: 112-122)，并申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利2項(xiàng)。

近期，合作團(tuán)隊(duì)將該方法拓展至快速制備3維成型生物可降解水凝膠。透明質(zhì)酸(HA)是組織工程支架材料的優(yōu)異選擇。但由于透明質(zhì)酸粘度大、吸水性強(qiáng)，在高精度成型領(lǐng)域研究領(lǐng)域，尤其是微納米圖案化結(jié)構(gòu)的透明質(zhì)酸水凝膠存在重大材料和技術(shù)挑戰(zhàn)。合作團(tuán)隊(duì)選擇高分子量透明質(zhì)酸前體，分子鏈經(jīng)過(guò)雙鍵改性，與水溶性四半胱氨酸交聯(lián)劑復(fù)配成水溶液，在波長(zhǎng)405納米紫外光輻照下，快速固化為無(wú)毒無(wú)小分子污染、體內(nèi)可降解的透明質(zhì)酸水凝膠，其含水量可達(dá)95 wt%以上。

圖1. 透明質(zhì)酸水凝膠結(jié)構(gòu)和性能：a)冷凍干燥后透明質(zhì)酸凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；b)凝膠表面20微米流道形貌；以及不同交聯(lián)劑含量的凝膠c)固化時(shí)間、d)拉伸強(qiáng)度和e)壓縮強(qiáng)度。

隨著四半胱氨酸交聯(lián)劑用量的調(diào)整，透明質(zhì)酸水凝膠的固化時(shí)間和力學(xué)性能均可以大幅度調(diào)整，在1 wt %交聯(lián)劑用量條件下，透明質(zhì)酸水凝膠紫外固化成型時(shí)間小于60秒，拉伸強(qiáng)度可達(dá)0.65 kPa，壓縮強(qiáng)度可提升至69.28 kPa。合作團(tuán)隊(duì)采用光影印法，成功制備精度為10微米的透明質(zhì)酸圖案化表面。

圖2. a)透明質(zhì)酸水凝膠在小鼠體內(nèi)1周、2周和4周后植入降解情況：A小鼠體內(nèi)H&E染色照片；B凝膠表面CD3淋巴細(xì)胞增殖情況。b)凝膠培養(yǎng)HUVEC細(xì)胞后p-FAK和FAK蛋白印跡，以及 c)不同交聯(lián)度凝膠的 VEGF釋放量。d)不同交聯(lián)度凝膠體外降解實(shí)驗(yàn)。

進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了透明質(zhì)酸水凝膠負(fù)載VEGF后的體外可控釋放、內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)和小鼠體內(nèi)生物相容性試驗(yàn)。證明了較低交聯(lián)度的透明質(zhì)酸水凝膠具有適中的VEGF釋放速率，透明質(zhì)酸水凝膠擁有優(yōu)異的細(xì)胞相容性，即使是高交聯(lián)度水凝膠樣品植入在小鼠體內(nèi)三至四周后也已完全降解。

該工作近期發(fā)表在Journal of Materials Chemisry B上(DOI: 10.1039/C9TB02796C)，并被選為內(nèi)頁(yè)封面論文。張倩敏碩士和季永麗博士為論文共同第一作者，陳楓副教授、劉震杰副主任醫(yī)師和常凌乾教授為論文共同通訊作者。以上系列工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金、浙江省衛(wèi)生廳項(xiàng)目和北京市生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心經(jīng)費(fèi)資助。

常凌乾教授課題組：研究方向主要包括生物納米技術(shù)、生物芯片和生物納米材料。已在國(guó)際期刊發(fā)表SCI論文50余篇，包括Nature Nanotechnology, Nano Letters, Small等。已申請(qǐng)和授權(quán)美國(guó)專(zhuān)利3項(xiàng)，中國(guó)專(zhuān)利9項(xiàng)。主編英文專(zhuān)著1部（Springer），書(shū)章節(jié)3章。獲得了諸多科研獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)，如俄亥俄州立大學(xué)博士最高獎(jiǎng)Presidential Fellowship，北德克薩斯大學(xué)RSG Awards, MINE 2018‘杰出青年科學(xué)家’提名獎(jiǎng)等。入選2017年中組部‘千人計(jì)劃’青年項(xiàng)目。現(xiàn)任SCI期刊Biomedical Engineering Online副主編（Associate Editor）和Computers in Biology and Medicine編委(Editorial Board)， Springer Nature《Electroporation Protocol》第三版主編。