被Nature亮点报道，ACS Nano 副主编，最新成果登上Nature新大子刊创刊号！

1月11日 芝加哥大学 Bozhi Tian教授 课题组 报告了 一种由水凝胶复合材料构成的动态生物界面同时利用了宏观整体以及微观颗粒生物界面的优势。 这种由颗粒嵌入的复合材料最初拥有粘弹性，以促进其在不平坦的组织表面粘附。随后释放的颗粒可以在细胞水平产生粘附以实现从整块生物界面向微观生物界面的转换。通过皮肤伤口愈合，溃疡性结肠炎和心肌梗塞等生物模型，水凝胶复合材料展示了生物动态界面在再生医学中的多功能性。该团队还通过将水凝胶集成到一个复杂的生物电子网状装置中后，展示了该装置可以直接长时间记录来自心脏组织的电信号。

相关成果以“Monolithic-to-focal evolving biointerfaces in tissue regeneration and bioelectronics”为题发表在 Nature Chemical Engineering  上。芝加哥大学 Jiuyun Shi ,  Yiliang Lin 为第一作者。芝加哥大学 Bozhi Tian ,  Jiping Yue , 伊利诺伊大学芝加哥分校  Petr Král  为通讯作者。

同时该成果被Nature以“Sticky gels designed for tissue-healing therapies and diagnostics”为题在New & View介绍。

图|动态生物界面的工作流程

动态生物界面的设计

为了构建动态生物界面，该团队选取了明胶（一种源自胶原蛋白的蛋白质）作为水凝胶基质以确保生物相容性和生物可降解性，并嵌入了淀粉颗粒以促进之后的细胞水平的生物界面。最初的生物界面结构具有类似生物组织的机械行为。所制备的水凝胶复合材料具有较高的含水量（>70%）、合适的柔软度（杨氏模量为80 kPa）和适度的拉伸性（最大应变> 100%）。水凝胶复合材料还表现出粘弹性行为，如应变和频率依赖的力学模量。

图|颗粒释放水凝胶表现出动态机械行为和颗粒运输的响应能力。

研究团队之后证明了该种水凝胶复合材料可以响应体内生物环境来形成微观颗粒生物界面。作者研究了温度变化如何改变水凝胶复合材料的粘弹性力学特性并促进颗粒释放。通过力学等值线图等方法说明了水凝胶复合材料可以在生理条件下进行自身转化和重建以改变生物界面形式。作者还对水凝胶复合材料进行了原位傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱分析，揭示了水凝胶基质相变过程中的氢键缔合过程。

粘附颗粒的构建

为了增强基于颗粒的生物界面的生物粘附力，作者用各种天然药物分子（包括阿司匹林、烟酸和丁酸盐）进一步对颗粒复合材料进行了化学修饰。这些分子通常具有快速且高的口服吸收能力，可以有效地与组织的两个主要组成部分磷脂膜和细胞外基质相互作用。通过分子动力学（MD）模拟，作者发现具有快速吸收和亲脂性的药物分子，例如阿司匹林，可以通过降低相互作用能来促进壳聚糖和脂质双层之间的结合。具体而言，阿司匹林修饰的壳聚糖链与1,2-二肉豆蔻酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱 (DMPC) 膜之间的平均相互作用能为ΔE = -5.67 ± 2.20 kcal/mol，而未修饰的壳聚糖之间的平均相互作用能为 DMPC膜为-3.52±1.79 kcal/mol。接着，作者使用碳二亚胺化学合成了阿司匹林-壳聚糖生物结合物，并通过一系列实验证明了阿司匹林修饰颗粒比非修饰淀粉/壳聚糖颗粒在例如分子组装体，体外细胞单层，体外肠道类器官和体外组织上具有更高的留存率。

图|用生物活性分子对颗粒复合材料进行化学改性可增强生物亲和力。

动态生物界面在再生医学中的应用

该研究团队随后通过一系列的生物实验证明了由水凝胶复合材料所构成的生物动态界面在再生医学中能起到重要作用。作者通过DSS诱导的结肠炎模型证明了口服该种水凝胶复合材料在治疗啮齿动物结肠炎症状方面显示出改善的治疗效果，包括体重减轻、结肠长度、粪便含水量和出血评分。与之相对比的，非释放基质水凝胶或非颗粒释放水凝胶（含有相同化学成分）没有显示出类似水平的治疗效果。单独的颗粒生物界面对小鼠体重减轻和结肠缩短显示出积极作用，但对粪便含水量或出血评分没有影响。此外，只有完整的水凝胶复合材料治疗显着改善了组织学结肠损伤，但单独的颗粒、非释放基质或非颗粒释放水凝胶形成的生物界面则没有显着改善结肠炎，因此，颗粒释放过程和动态变化的生物界面可能在治疗溃疡性结肠炎中发挥重要作用。随后，该研究团队也在伤口愈合模型中证明了动态生物界面相比于单一的整块的生物界面或是颗粒焦点生物界面更具有治疗优势。

图|水凝胶复合材料在体内治疗 DSS 诱导的溃疡性结肠炎。

动态生物界面在生物电子学中的应用

生物界面对于诊断类生物电子设备的灵敏度也起到至关重要的作用，因为与组织的接触不充分或不稳定会导致电信号的传感不良。该团队通过将水凝胶复合材料与16 通道网状电子设备生物电子设备集成，成功实现了心脏组织的稳定长时间的电生理记录和组织再生。通过 Langendorff离体心脏实验，该混合装置可以记录的心脏心电图信号，并且所记录的信号幅度优于用整块的静态水凝胶生物界面。除此之外，混合生物电子设备可以诊断心脏病并促进治疗。缺血再灌注（I/R）是一种严重的心脏病理状况。作者所展示的混合设备系统可以监测心电图信号并检测缺血再灌注损伤心脏中的异常心电图信号模式和延迟心电激活模式。等时线图中较长的激活延迟区域位于缺血再灌注心脏中严重受损的区域，这与心脏梗塞染色结果一致。此外，粘附在心脏组织表面的阿司匹林修饰颗粒也被证明可以促进急性心肌梗塞的组织恢复。该团队通过患病小鼠的超声心动图检查结果显示接受水凝胶复合材料治疗的小鼠的心功能的几个关键指标（例如射血分数、缩短分数和心输出量）均有恢复。

图|水凝胶复合材料促进网状生物电子心电图记录和心肌梗塞治疗。

总结与展望

可释放颗粒的水凝胶复合材料有望作为一种新的动态生物界面平台。该团队已经在炎症性肠病治疗、皮肤组织再生和改进的生物电子功能方面作出了一些展示。该类复合材料在颗粒释放后，创建了瞬态的焦点生物界面，可以克服与静态整体材料相关的挑战，例如低时空分辨率、缺乏生物相容性和限制信号转导和分子运输等问题。通过将颗粒封装在宏观的响应性水凝胶基质中，作者同时也改善了微观生物界面在宏观处理和制造所面临的问题。由于用于构建动态生物界面的所有材料均源自天然生物资源（即生物聚合物和天然生物分子），因此颗粒释放水凝胶可能提供一种更具成本效益和可持续的方法来解决一些生物医学或生物物理问题。

--荐号--