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中科院团队找到生物材料形态变化的控制方法 有望拓宽人工器官材料来源

文章来源: 新华社、中国科学院深圳先进技术研究院       发布时间:2019-02-11

如何让生物材料的外形根据人们的需求发生变化,制造出更适合医学应用的材料,这是长期困扰科研人员的难题。2月10日消息,中国科学院深圳先进技术研究院纳米调控与生物力学研究室杜学敏副研究员团队近日称,他们从含羞草获得灵感,成功控制了传统生物材料的形态变化。据悉,研究人员通过生物兼容性离子(Na+/Ca2+)触发水凝胶可控三维形变,并揭示了其内外反转三维可逆形变机制,这一发现有望拓展人工器官的材料来源。


相关论文以Inside-Out 3D Reversible Ion-Triggered Shape-Morphing Hydrogels(离子触发内外反转三维可逆形变水凝胶)为题《Research》杂志上在线发表(Research, 2019, DOI: 10.1155/2019/6398296)。《Research》是被国际权威期刊《Science》纳入合作计划的刊物之一,是中国科协与《Science》主办方——美国科学促进会合办的权威学术期刊。


近年来,仿生可控三维形变材料在组织工程与人工器官等医学领域应用广泛,但传统材料或是欠缺可控形变能力,或是刺激调控手段面临安全性挑战,因此极大限制了传统生物材料医学应用。如何成功实现传统生物材料的可控三维形变,及采用生物相容性手段调控形变,仍是材料生物学应用面临的一大难题。


论文通讯作者、中国科学院深圳先进技术研究院副研究员杜学敏告诉记者,从海带中提取的海藻酸钠可以形成一种柔软的水凝胶,其力学和生物特性都与人的软体组织类似。但是,这种水凝胶缺乏形态变化的能力,难以成为人工器官的材料。


中科院团队找到生物材料形态变化的控制方法 有望拓宽人工器官材料来源

图 1. 海藻酸钠水凝胶在NaCl溶液中反转形变


含羞草给了科研人员灵感。杜学敏的科研团队发现,含羞草之所以会“害羞”,核心是植物细胞内部离子的调节作用。因此,他们花了9个月时间,在海藻酸钠制成的水凝胶上,设计出了类似含羞草的结构,并将水凝胶放在特制溶液中,通过调节溶液中钠离子和钙离子相互作用,成功控制了水凝胶“从螺旋状到反向螺旋状”的形态变化。


中科院团队找到生物材料形态变化的控制方法 有望拓宽人工器官材料来源

图2. (A-E)海藻酸钠水凝胶的多种复杂三维结构图(T形、H形、三通管状结构、双螺旋、串联三螺旋);(F-H)基于海藻酸钠水凝胶的多种仿生花形貌图;(I)仿生花在离子溶液中动态绽放与闭合

研究人员将所得螺旋形水凝胶置于0.1 M NaCl溶液中,发现三维螺旋形会逐渐变形为二维平面结构,最终结构进一步反转形成微通道朝外的反向三维螺旋结构。当反转形变后的三维螺旋结构重新浸泡在0.1 M CaCl2溶液中时,样品会恢复到微通道朝内的初始三维螺旋结构。杜学敏研究团队还发现,将三维形变水凝胶置于NaCl与CaCl2的混合溶液中,通过调节溶液中Na+/Ca2+浓度比例,还可成功“冻结”海藻酸钠水凝胶三维动态形变过程中的瞬态形状。而且,通过耦合多种不同取向微阵列结构,杜学敏研究团队成功实现了类似DNA分子的双螺旋结构,及自然界中各种复杂花的三维形状,还成功模拟了仿生花在离子溶液中动态绽放与闭合。


华东师范大学化学与分子工程学院教授张利东表示,这项仿生设计为解决传统生物材料的形态变化提供了普适性方法,有望拓展部分生物材料在再生医学、柔体机器人等领域的应用范围。


该研究工作得到了科技部重点研发专项(2017YFA0701303)与粤港科技合作资助计划(2017A050506040)等项目资助。


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