【参赛作品】蛋白聚糖和糖胺聚糖提高生物相容双网络水凝胶的韧性

双网络原则提供了一个通用的方法来开发软骨样强固性的水凝胶,而且具有高的水含量,就是使用各种生物聚合物和生物相容的聚合物组合来开发强固的有生化功能的水凝胶。目前的挑战是如何合成这种特殊的结构。一般的传统结构是由连续两部聚合得到:先合成聚电解质的作为刚性网络,再在里面合成软的结构网络。根据这个方法,我们想到一种策略,就是使用一种生物聚合物作为第一网络,生物相容的中性聚合物作为第二网络。然而,这种方法需要生物聚合物化学交联,它是一种复杂的过程。另一个缺点是,化学交联可能会导致不好的生化性能。

我们提出了一个更通用的方法以合成含有生物聚合物的DN水凝胶。它是最近开发的分子支架的方法。它可化学结合惰性的,中性的,生物相容的聚合物网络与任何电解质的生物聚合物形成坚韧的DN凝胶,不需要生物高分子的任何化学修饰。策略是使用生物聚合物作为分子支架,利用其聚电解质性质。把生物聚合物加入到该前单体的溶液里,聚合第一层网络形成后,生物高分子陷入里面,给于网络额外的渗透压。结果网络大幅膨胀,分子链变得刚硬。在那之后,可以引入大量的第二中性单体来形成坚固双网络水凝胶需要的第二网络。

  这种方法的优点是

1 . 我们可以引入无任何化学修饰的生物聚合物,

2. 对任何希望的组成,不同生物聚合物可被引入到DN凝胶

3. 任何中性生物相容的聚合物可以被用作生物聚合物 – 支架DN凝胶的第一网络

分子支架有三种:硫酸软骨素蛋白多糖(PG),透明质酸钠(HA),硫酸软骨素 (CS),都是软骨的成分。通过这种方法,作者合成了一系列的用这些生物高分子与中性生物相容聚合物(聚( N,N – 二甲基丙烯酰胺)的水凝胶。这些水凝胶我们称之为St-DN水凝胶。跟传统的全合成的DN水凝胶(PAMPS/PAAm) 比展现了优异的机械性能,还有良好的生物活性。

为了进一步研究ST- DN凝胶作为生物材料的潜力,我们带有和不带有生物聚合物DN凝胶上培养数种细胞。在有和没有PGs的DN水凝胶上分别培养了人冠状动脉内皮细胞五天,在St(0)-DN水凝胶上的细胞保持球形状态。然而在St(PGs)-DN上的细胞粘附很好,成细长状态,并且细胞个数也有增加,就说明PGs提高了黏附力,并且促进增殖。但并不是所有细胞都是这样,可能是因为低的生物聚合物含量导致。因此,将来研究中为提高生物活性而提高生物聚合物含量是必需的。

选材出处:Proteoglycans and Glycosaminoglycans Improve Toughness of Biocompatible Double Network Hydrogels