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)學領域關注。值得一提的是，多糖基薄膜在生理環(huán)境下的力學性能衰減和結構失穩(wěn)嚴重限制了其應用。
針對該問題，中國科學技術大學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纖維結構及其優(yōu)異的力學性能和穩(wěn)定性啟發(fā)，提出一種基于分子/納米雙尺度網絡的非均質交聯(lián)與水合作用的力學增強機制，進而制備出一種與單尺度網絡結構材料相比具有優(yōu)異的濕態(tài)力學性能的多糖基納米復合薄膜，進一步將功能化修飾的薄膜應用于引導骨再生研究，最終展示出所提出的力學增強機制的卓越性并將為指導制備先進的生物醫(yī)用材料提供更多可能。相關研究成果發(fā)表于《國家科學評論》（National Science Review 2024, 11, nwad333），中國科學技術大學交流生肖劍虹、博士生張振邦和李嘉豪為共同第一作者，中國科學技術大學俞書宏教授和陳思銘副研究員、上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院鄒多宏研究員為共同通訊作者。
基于所提出的力學增強機制，研究團隊首先使用海藻酸鈉（SA）和細菌纖維素納米纖維（BC）基元，按序結合鈣離子交聯(lián)和再水合步驟，制備出具有異質交聯(lián)水合雙尺度網絡結構的多糖基納米復合薄膜。系統(tǒng)性力學測試（包括單軸拉伸、縫線拉伸和原位撕裂拉伸等）結果表明，所提出的雙尺度網絡結構復合膜較單一尺度網絡結構的薄膜在拉伸強度、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. 異質交聯(lián)水合雙尺度網絡結構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絡結構。c. 多糖基復合薄膜的橫截面掃描電鏡圖，海藻酸鈉和細菌纖維素納米纖維相互交織。d. 具有雙尺度網絡結構的多糖基納米復合薄膜的綜合力學性能。
結合理論模擬研究，進一步分析該力學增強機制可知，Ca2+交聯(lián)和水合作用主要發(fā)生于SA分子網絡結構中，經過Ca2+交聯(lián)和水合后的SA分子網絡結構較為穩(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納米纖維網絡結構可免受水分子的侵入影響，有效發(fā)揮力學增強的作用。整體上，分子尺度和納米尺度雙重網絡各司其職，最終所構筑的復合薄膜展現(xiàn)出優(yōu)異的濕態(tài)力學性能，能夠在濕態(tài)條件下穩(wěn)定存在并提供結構支撐，為其在生理環(huán)境的醫(yī)學應用奠定了基礎。研究團隊對所構筑的多糖基薄膜進行殼聚糖（CS）-羥基磷灰石（nHAP）薄層功能化修飾，構筑出雙層膜，并對其進行生物學應用探索。系統(tǒng)性的體內、外實驗結果表明，經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性能，展示出在生物醫(yī)學領域中巨大的應用潛力（圖2-3）。
圖2.a-c.通過功能化修飾而構筑出的雙層膜應用于引導骨再生（a.雙層膜光學圖像，b.雙層膜橫截面掃描電鏡圖，c.雙層膜應用于引導骨再生示意）。d-h.雙層膜具有良好的生物學性能（d. 生物相容性，e-f.抑菌性，g-h. 體外誘導成骨性）。
圖3.犬下頜骨修復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交聯(lián)水合雙尺度網絡結構的力學增強策略，并基于此制備出一種在濕態(tài)環(huán)境下具有優(yōu)異力學性能的納米復合薄膜材料，通過功能化薄層修飾展示了該復合膜在生物醫(yī)學引導骨再生領域的應用潛力，為先進仿生醫(yī)用材料的設計制備提供一條合理的路徑，將促進有關仿生材料在醫(yī)學領域中的應用。
該研究受到新基石研究員項目、科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、安徽省重大基礎研究項目以及中國科學技術大學雙一流建設專項資金等項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad333
（化學與材料科學學院，合肥微尺度物質科學國家研究中心，科研部）
