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  在可降解生物材料的設(shè)計(jì)中，材料的降解壽命至關(guān)重要。降解太快，材料還沒發(fā)揮作用就消失了；降解太慢，可能影響組織自身修復(fù)，甚至引發(fā)排異反應(yīng)。那么，能不能任意調(diào)節(jié)體內(nèi)植入材料的降解速度呢？來自密歇根州立大學(xué)劉心悅團(tuán)隊(duì)的最新研究提出，可以用機(jī)械拉伸來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水凝膠降解速度。該成果發(fā)表于Journal of Materials Chemistry B，并獲該雜志的 2025Emerging Investigators推選。

從分子到材料的科學(xué)設(shè)想

  在分子層面，拉伸狀態(tài)下的高分子鏈更容易發(fā)生化學(xué)鍵斷裂。那么，宏觀的水凝膠材料在受拉伸時(shí)，是否也能加快降解？宏觀材料的降解和單根分子鏈相比，通常會更加復(fù)雜，因?yàn)?/span>還受到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分子擴(kuò)散的影響。

  為了回答這個問題，團(tuán)隊(duì)選擇了肽鍵交聯(lián)的四臂PEG水凝膠（交聯(lián)點(diǎn)可被蛋白酶 Proteinase K 特異性切斷）作為模型材料，并搭建了實(shí)時(shí)力學(xué)監(jiān)測平臺。

水凝膠降解的實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺

  由于水凝膠是固體網(wǎng)絡(luò)，很難用常規(guī)溶液分析手段（如GPC、NMR）直接觀測降解過程中的化學(xué)變化。團(tuán)隊(duì)研發(fā)的平臺可以在恒定應(yīng)變下，實(shí)時(shí)記錄維持拉伸所需的應(yīng)力變化。在無降解條件下，應(yīng)力保持穩(wěn)定；加入蛋白酶后，水凝膠逐漸變軟，而加載在兩端的應(yīng)力就隨時(shí)間衰減，直至完全降解（圖一）。

圖一：通過實(shí)時(shí)監(jiān)測拉伸應(yīng)力來記錄材料隨時(shí)間降解過程。（上：實(shí)驗(yàn)平臺，左下：四臂PEG水凝膠材料，右下：應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，應(yīng)力下降代表降解）

拉伸越大，降解越快

  通過上述的實(shí)驗(yàn)平臺，團(tuán)隊(duì)測試了不同厚度和不同拉伸條件下材料降解的速度。團(tuán)隊(duì)觀察到，拉伸可顯著縮短降解時(shí)間。例如，厚度為5 mm的樣品，在低拉伸比（λ = 2.0）降解需要3.5小時(shí)，而在高拉伸比（λ = 3.5）條件下降解會縮短到1.9 小時(shí)。不同厚度下，越厚的樣品降解越慢，而拉伸對厚樣品的加速效果會更明顯。

圖二：不同拉伸(2.0~3.5)和不同厚度(1~5mm)的水凝膠樣品降解的特征時(shí)間對比統(tǒng)計(jì)。

分析拉伸在多尺度的影響

  為了深入理解機(jī)械拉伸如何影響降解過程，團(tuán)隊(duì)建立了多尺度理論模型，將影響因素拆分為三個層次：(1) 宏觀幾何變薄。拉伸減少了水凝膠厚度，酶擴(kuò)散路徑更短(圖三a)；(2) 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)孔放大。拉伸擴(kuò)大高分子網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)孔，加快酶的擴(kuò)散速度(圖三b)；(3) 分子鏈張力提升。被拉直的分子鏈更容易發(fā)生酶切斷裂 (圖三c)。模型預(yù)測的降解時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合，并能夠揭示一些實(shí)驗(yàn)表征難以直接觀測到的結(jié)論。比如，在低到中等拉伸比時(shí)，宏觀幾何變薄效應(yīng)占主導(dǎo)；而在高拉伸比時(shí)，分子鏈張力提升的作用更明顯，直接加速分子鍵斷裂（圖三下）。

圖三：機(jī)械拉伸對水凝膠降解的多尺度作用機(jī)制與理論驗(yàn)證。上圖分別為宏觀、網(wǎng)絡(luò)、分子鏈三個尺度的效果示意。下圖是理論預(yù)測，拉伸（stretch, λ）可以降低酶擴(kuò)散時(shí)間(τ_diff)、高分子鏈降解時(shí)間(τ_deg)、材料降解時(shí)間(τ_diff+ τ_deg)。

物理圖像小結(jié)

  在沒有被拉伸的情況下，大尺寸的水凝膠通常受限于酶或者其他催化劑的緩慢擴(kuò)散，降解反應(yīng)往往只在表面逐漸進(jìn)行，耗時(shí)長（5mm厚的樣品需要 3.5 小時(shí)）。高拉伸（λ = 3.5）可顯著促進(jìn)酶滲透和鍵斷裂，降解反應(yīng)可以快速并且均勻的發(fā)生在整個水凝膠的體積內(nèi)部，從而使降解時(shí)間縮短（5mm厚的樣品 1.9 小時(shí)）。

圖四：不同拉伸條件下的降解過程：（a）無拉伸時(shí)發(fā)生緩慢的表面降解，（b）有拉伸時(shí)發(fā)生快速的體積降解。

拉伸對藥物釋放的影響

  為了驗(yàn)證機(jī)械力調(diào)控降解在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛力，團(tuán)隊(duì)將熒光微球作為模擬藥物，封裝在可降解PEG水凝膠中，并在不同拉伸條件下測試釋放行為。結(jié)果顯示未拉伸時(shí)候，4 小時(shí)僅釋放約 35% 的微球；而在高拉伸情況下，4 小時(shí)內(nèi)材料快速降解，即可實(shí)現(xiàn)完全釋放。這一結(jié)果表明，未來可結(jié)合體內(nèi)機(jī)械刺激（如關(guān)節(jié)運(yùn)動、肌肉收縮）或外部力學(xué)作用（如超聲、磁驅(qū)動）來實(shí)現(xiàn)植入材料的按需降解與藥物精準(zhǔn)釋放，為個性化治療提供新策略。

  論文第一作者為美國密歇根州立大學(xué)化工與材料科學(xué)系博士生 Akhiri Zannat，通訊作者為密歇根州立大學(xué)化工材料系助理教授劉心悅。

  課題組致力于利用先進(jìn)的制造技術(shù)、分子工程和生物整合策略來增強(qiáng)新型軟材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)。詳情參見課題組主頁：https://www.xinyueliu.net/

  歡迎有高分子、生物材料或者細(xì)胞培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)，并對相關(guān)研究感興趣的博士生申請者聯(lián)系！

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/tb/d5tb01056j