微納米光影印法工藝綠色制備高分子生物材料及其在生物醫(yī)學工程中的應用

醫(yī)用高分子材料按照用途，可分為心血管系統(tǒng)、軟組織及硬組織等修復材料等。這些材料除應滿足一般的物理、化學性能要求外，還必須具有足夠好的生物相容性，例如，用于心血管系統(tǒng)的醫(yī)用高分子材料應當著重要求其抗凝血性好，不破壞紅細胞、血小板，不改變血液中的蛋白并不干擾電解質等。

以大幅度改善生物醫(yī)用材料與生物體的相容性為目標，北京市生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心常凌乾教授與浙江工業(yè)大學陳楓副教授、浙江大學附屬第二醫(yī)院劉震杰副主任醫(yī)師合作，結合紫外光引發(fā)和巰基“click”聚合兩種方法，使用光影印法制備了一系列力學性能優(yōu)異、無毒無污染、生物可降解的微米級表面圖案化高分子材料。

聯合團隊前期已經在傳統(tǒng)生物惰性材料上驗證了技術可行性，實現在生物惰性PDMS表面上，紫外光引發(fā)巰基“click”固定修飾具有生物活性的聚多巴胺(PDA)納米微球。通過調控PDA的微觀聚集形貌（納米微球或光滑薄膜），賦予PDMS材料表面pH響應的的親/疏水、蛋白質吸/脫附表面摩擦系數改變；同時大幅改善細胞在材料表面的生長情況(ACS Appl. Bio Mater., 2018, 1(6): 2167-2175)。并采用紫外光引發(fā)和巰基“click”聚合制備高精度3維血管支架，相比較商用光固化樹脂體系(PEGDMA)，反應樹脂體系無有機溶劑和光引發(fā)劑，光固化材料無小分子殘留，生物相容性好，拉伸強度高，柔韌性好，成型精度高(Chem. Eng. J., 2019, 366: 112-122)，并申請發(fā)明專利2項。

近期，合作團隊將該方法拓展至快速制備3維成型生物可降解水凝膠。透明質酸(HA)是組織工程支架材料的優(yōu)異選擇。但由于透明質酸粘度大、吸水性強，在高精度成型領域研究領域，尤其是微納米圖案化結構的透明質酸水凝膠存在重大材料和技術挑戰(zhàn)。合作團隊選擇高分子量透明質酸前體，分子鏈經過雙鍵改性，與水溶性四半胱氨酸交聯劑復配成水溶液，在波長405納米紫外光輻照下，快速固化為無毒無小分子污染、體內可降解的透明質酸水凝膠，其含水量可達95 wt%以上。

圖1. 透明質酸水凝膠結構和性能：a)冷凍干燥后透明質酸凝膠網絡結構；b)凝膠表面20微米流道形貌；以及不同交聯劑含量的凝膠c)固化時間、d)拉伸強度和e)壓縮強度。

隨著四半胱氨酸交聯劑用量的調整，透明質酸水凝膠的固化時間和力學性能均可以大幅度調整，在1 wt %交聯劑用量條件下，透明質酸水凝膠紫外固化成型時間小于60秒，拉伸強度可達0.65 kPa，壓縮強度可提升至69.28 kPa。合作團隊采用光影印法，成功制備精度為10微米的透明質酸圖案化表面。

圖2. a)透明質酸水凝膠在小鼠體內1周、2周和4周后植入降解情況：A小鼠體內H&E染色照片；B凝膠表面CD3淋巴細胞增殖情況。b)凝膠培養(yǎng)HUVEC細胞后p-FAK和FAK蛋白印跡，以及 c)不同交聯度凝膠的 VEGF釋放量。d)不同交聯度凝膠體外降解實驗。

進一步，團隊系統(tǒng)研究了透明質酸水凝膠負載VEGF后的體外可控釋放、內皮細胞培養(yǎng)和小鼠體內生物相容性試驗。證明了較低交聯度的透明質酸水凝膠具有適中的VEGF釋放速率，透明質酸水凝膠擁有優(yōu)異的細胞相容性，即使是高交聯度水凝膠樣品植入在小鼠體內三至四周后也已完全降解。

該工作近期發(fā)表在Journal of Materials Chemisry B上(DOI: 10.1039/C9TB02796C)，并被選為內頁封面論文。張倩敏碩士和季永麗博士為論文共同第一作者，陳楓副教授、劉震杰副主任醫(yī)師和常凌乾教授為論文共同通訊作者。以上系列工作受到國家自然科學基金、浙江省自然科學基金、浙江省衛(wèi)生廳項目和北京市生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心經費資助。

常凌乾教授課題組：研究方向主要包括生物納米技術、生物芯片和生物納米材料。已在國際期刊發(fā)表SCI論文50余篇，包括Nature Nanotechnology, Nano Letters, Small等。已申請和授權美國專利3項，中國專利9項。主編英文專著1部（Springer），書章節(jié)3章。獲得了諸多科研獎勵和榮譽，如俄亥俄州立大學博士最高獎Presidential Fellowship，北德克薩斯大學RSG Awards, MINE 2018‘杰出青年科學家’提名獎等。入選2017年中組部‘千人計劃’青年項目。現任SCI期刊Biomedical Engineering Online副主編（Associate Editor）和Computers in Biology and Medicine編委(Editorial Board)， Springer Nature《Electroporation Protocol》第三版主編。