膠原基生物材料的孔隙結構對其性能有顯著影響。孔隙結構可由交聯來調節，但少有研究關注交聯劑結構特性對膠原基質多孔性能的調控機制。四川大學輕工學院王亞楠教授與新西蘭皮革和制鞋研究協會（LASRA）Sujay Prabakar教授聯合團隊通過改變羧甲基纖維素鈉的取代度，制備了一系列尺寸相似但醛基含量不同的雙醛羧甲基纖維素鈉（DCMC），并將其用于膠原基質的交聯，實現了對膠原基生物材料孔隙結構的有效調控（圖1）。該工作以“Effect of dialdehyde carboxymethyl cellulose crosslinking on the porous structure of collagen matrix”為題發表在Biomacromolecules上，博士研究生易玉丹為第一作者，王亞楠教授及Sujay Prabakar教授為通訊作者。
圖1. DCMC交聯對膠原基生物材料孔隙結構的可控調節
雙醛多糖因其高反應性、低細胞毒性和優異的生物相容性，可被用作膠原基生物材料的綠色交聯劑。現有研究重點關注交聯后膠原基材料在生物醫學領域的應用性能，卻極少研究交聯劑結構對材料微觀結構和多孔性能的影響規律。事實上，膠原基材料的孔隙結構與其細胞粘附、增殖、遷移、透水汽及物質交換等性能密切相關。天然膠原基質（如皮膚）具有由三螺旋狀膠原分子、微原纖維、原纖維、纖維和纖維束等逐級自組裝而成的精巧多層級結構，這也賦予了其多級孔隙結構，而化學交聯能夠極大改變該結構（圖2）。
圖2. DCMC交聯前后膠原多層級結構的變化
基于此，作者以不同取代度（DS：0.7、0.9、1.2）的羧甲基纖維素鈉為原料，用高碘酸鈉氧化法制備了一系列尺寸相似但醛基含量不同的DCMC交聯劑，并將其用于膠原基質的交聯。隨著DS的降低，DCMC的醛基含量增加，其與膠原基質的交聯程度（包括共價交聯及非共價交聯）提高，原纖維D周期減小（圖3）。同時，膠原基質的總孔隙率（圖4）、孔容和Φ > 10 μm的大孔占比（圖5）也顯著升高。其原因是DCMC具有納米級尺寸，可以滲透到膠原基質的原纖維層級內，利用自身高反應活性的醛基，與膠原氨基形成分子間/原纖維內的化學交聯，使得原纖維之內/之間的間隙減小，而纖維之間的間隙增大（圖2）。
圖3. DCMC交聯前后膠原基質的（a）熱穩定性、（b）同步輻射SAXS散射強度、（c）同步輻射SAXS散射強度譜圖中5~3階峰的相對強度（R5/3）和6~5階峰的相對強度（R6/5）、（d）D-周期（由SAXS散射強度譜圖分析所得）、（e）橫截面的FESEM圖像（×50,000）
圖4. DCMC交聯前后膠原基質的（a）橫截面的FESEM圖像（×200）、（b）顯微CT圖像及顯微CT評估程序(V6.6)計算的孔隙率
上述結果證明，通過改變DCMC交聯劑的結構，調節其在膠原基質各層級中的滲透和交聯，能夠有效調控膠原基材料的微觀孔隙結構。該調控機制的建立可為相應生物材料的制備提供指導。
論文信息：Yi Yudan, Zhang Yi, Mansel Bradley, Wang Ya-nan*, Prabakar Sujay*, Shi Bi. Effect of dialdehyde carboxymethyl cellulose cross-linking on the porous structure of the collagen matrix. Biomacromolecules, 2022, 23(4): 1723?1732.
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.1c01641
- 華東理工劉昌勝教授、屈雪教授 Adv. Mater.：從頭制備具有圖案化層次結構的致密仿生膠原基質-電/光場結合助力蛋白精準組裝 2025-08-05
- 四川大學孫勇/白浪《Small》：固定四環素的透明質酸纖維調節黏附性膠原基凝膠穩定性加速感染傷口愈合 2023-07-19
- 浙大王征科課題組《ACS Biomater. Sci. Eng.》綜述：用于組織工程的膠原基生物材料 2023-02-22
- 浙江大學高長有團隊 Prog. Mater. Sci.：用于組織修復的自適應性生物材料 2025-11-30
- 武漢理工戴紅蓮課題組 Coordin. Chem. Rev.：苯硼酸生物材料 - 從化學原理到材料設計 2025-09-23
- 北京大學邵元龍《Adv. Mater.》綜述：用于組織電子設備接口的生物材料基纖維狀植入式探針 2025-06-27
