Advanced Functional Materials: 基于柠檬酸的荧光和光声双模式成像的电活性生物可降解材料

人口老龄化的加速、疑难病症的增多,各类意外创伤的增加以及人类对健康长寿的追求,促进了社会对生物医用材料的巨大需求。为了提供更有效和有针对性的诊疗方法,功能单一的材料已远远不够,设计开发多功能集成材料成为势不可挡的发展趋势。多功能性可以通过传统的材料复合和加入添加剂等策略实现,但是这些方法通常伴随着操作上的复杂性和添加物带来的安全隐患,从而限制临床应用转化。为了实现安全性、多功能性和操作简洁性的平衡,一个安全且具有高度设计性的生物材料体系是被迫切需要的。

宾夕法尼亚州立大学杨健课题组近年来开发了一类基于柠檬酸的新型生物可降解高分子材料体系,将有助于实现这一平衡。柠檬酸作为Krebs循环的中间产物,是一种无毒、易使用且廉价的单体,已在美国食品和药物管理局批准的各类生物医学产品中广泛应用。此外,柠檬酸具有较高的反应活性,通过简单高效的熔融缩聚能够与醇羟基和氨基等官能团反应,生成枝化的低分子量预聚体。这些预聚体带有大量的侧链反应官能团,因此可以通过后处理形成可降解的交联聚酯网络结构,也可以被进一步修饰上各种新功能。杨健课题组聚焦柠檬酸单体,开发了一系列柠檬酸基生物可降解高分子材料。这些材料具有不同的物理、化学和生物性能,包括可调控的降解速率、优异力学性能、组织粘合性、抗菌性、抗氧化性、可注射性、可光交联性、以及荧光特性等。

近期,该课题组通过简单经济的一步缩聚法对柠檬酸、辛二醇、氨基酸以及苯胺四聚体进行反应,制备了具有荧光和光声双模式成像功能的电活性生物材料(BPLPAT)。材料的荧光基团由柠檬酸与氨基酸反应生成,具有良好的生物相容性。苯胺四聚体的引入赋予了材料光声效应、光热效应以及电活性。通过调节单体投料比和反应条件,研究者可以有效地控制BPLPAT的降解趋势,机械性能,成像效果以及导电性。此外,BPLPAT还具有灵活的加工性能,可以制备成纳米粒子,薄膜、三维多孔支架等。由BPLPAT制备的纳米粒子不仅可以对单个细胞进行荧光标记,还具有穿透深部组织进行光声成像的功能。加上其显著的光热性能,BPLPAT纳米粒子可应用于肿瘤组织的成像和光热治疗。研究者对BPLPAT多孔支架也进行了相对系统的研究,发现通过光声技术能够对植埋于深部组织的支架进行三维立体成像。由于其自带的电活性,BPLPAT多孔支架还可以通过电刺激促进神经细胞的生长和分化。因此,BPLPAT三维多孔支架可以有效应用于神经组织修复,并对修复效果和材料降解进行实时监测。

文章作者相信集生物可降解性、成像、电活性、光热效应等多功能于一身的BPLPAT将会在生物医药领域有广泛的应用前景,包括生物成像,生物传感,组织工程,药物控释和癌症治疗。同时,基于柠檬酸基生物材料体系独特的设计性和反应性,可以进一步拓展使之结合更多不同功能化的化学结构、生物分子和药物,从而满足特定的医疗和检测需求。因此,该工作也为新一代多功能生物材料的设计和开发提供了一个简洁高效的新思路。相关工作以“Development of Citrate-Based Dual-Imaging Enabled Biodegradable Electroactive Polymers”为题,发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201801787)上,第一作者为宾夕法尼亚州立大学杨健课题组单鼎英博士。合作单位昆明医科大学生物医学工程中心陆地教授为共同通讯人。