水凝膠器官模型的案例
中科院蘭州化物所王曉龍研究員、周峰研究員等AFM：在仿真濕滑水凝膠器官模型取得進(jìn)展
水凝膠器官模型的制備
對(duì)于熱場(chǎng)輔助3D打印水凝膠而言，設(shè)計(jì)具有合適“打印窗口”的水凝膠墨水是關(guān)鍵問(wèn)題。從分子間作用力的角度設(shè)計(jì)水凝膠墨水，將兩種天然大分子進(jìn)行復(fù)配，利用兩種分子官能團(tuán)之間的靜電相互作用、氫鍵相互作用以及物理纏結(jié)，制備出具有合適加工窗口（40-45 ℃）的熱可逆水凝膠墨水，適宜用熱場(chǎng)輔助墨水直書寫技術(shù)制備3D復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熱可逆水凝膠模板。引入經(jīng)典的海藻酸鈉/Ca2+ 利用超分子組裝構(gòu)筑物理交聯(lián)水凝層。通過(guò)表面吸附的方式將金屬配位離子（Ca2+）負(fù)載于3D打印的水凝膠模板表面，然后浸沒(méi)于一定濃度的海藻酸鈉溶液中，利用快速界面誘導(dǎo)擴(kuò)散凝膠化機(jī)制在水凝膠模板的表面組裝一層海藻酸鈉/Ca2+水凝膠。最后通過(guò)進(jìn)一步離子配位強(qiáng)化和加熱去除熱可逆的水凝膠模板，得到具有完整結(jié)構(gòu)的中空水凝膠結(jié)構(gòu)。
圖1. 仿真濕滑水凝膠組織器官模型的制備過(guò)程
該方案提供了一個(gè)綠色、高效、易于執(zhí)行的中空水凝膠結(jié)構(gòu)制備方法。作者制備了具有任意復(fù)雜的3D組織器官模型，包括肺、血管網(wǎng)絡(luò)、肝、手、膀胱、胃部、腸等生物器官結(jié)構(gòu)。特別地，基于水凝膠可調(diào)控的力學(xué)性能，考慮到不同組織器官的模量差異以及梯度結(jié)構(gòu)，作者通過(guò)超分子層層組裝構(gòu)筑了具有梯度結(jié)構(gòu)的水凝膠組織器官模型。這些生物組織結(jié)構(gòu)模型在生物醫(yī)學(xué)的不同研究和應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的意義。
圖2. 仿真濕滑水凝膠組織器官模型
水凝膠器官模型的體外模擬測(cè)試
作者首先制備了水凝膠血管用于模擬導(dǎo)絲介入過(guò)程。
展開 哈佛鎖志剛院士與西安交大呂毅/唐敬達(dá)提出磁輔助-水凝膠粘接方法用于器官移植
近年來(lái)，水凝膠材料與生物組織的強(qiáng)韌粘接技術(shù)受到廣泛關(guān)注。然而，對(duì)于新開發(fā)的水凝膠粘接劑和粘接技術(shù)，能否用于實(shí)際臨床手術(shù)環(huán)境非常關(guān)鍵。如何將水凝膠應(yīng)用于外科手術(shù)，進(jìn)而研究水凝膠在生物體內(nèi)的反應(yīng)，改進(jìn)水凝膠的材料設(shè)計(jì)，成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。
近日，西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院呂毅教授、航天航空學(xué)院唐敬達(dá)副教授以及哈佛大學(xué)鎖志剛教授等人，提出磁輔助-水凝膠粘接方法，成功應(yīng)用于大動(dòng)物的肝移植手術(shù)中, 術(shù)后動(dòng)物恢復(fù)良好，血管完全愈合。研究成果以Adhesive anastomosis for organ transplantation為題發(fā)表在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Bioactive Materials》（影響因子14.593）。
血管縫合法與“磁輔助-水凝膠粘接”血管吻合法
血管吻合技術(shù)從Alexis Carrel發(fā)明“三點(diǎn)式”血管縫合法后（1912年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)），至今已超過(guò)100年的歷史。血管縫合法具有許多優(yōu)勢(shì)，但是操作復(fù)雜、縫合時(shí)間長(zhǎng)。肝移植過(guò)程中，需要吻合三根大血管，吻合過(guò)程中下肢血液無(wú)法經(jīng)肝臟回流到心臟，稱為“無(wú)肝期”，無(wú)肝期越長(zhǎng)，患者愈后越差。對(duì)于“爭(zhēng)分奪秒”的肝臟移植手術(shù)來(lái)講，傳統(tǒng)“一針一線”式的手工縫合法顯然無(wú)法滿足醫(yī)生和患者的需求，亟需一種新型的血管吻合技術(shù)。
本工作使用強(qiáng)韌可降解水凝膠粘接技術(shù)，用于器官移植過(guò)程中的血管吻合。血管外翻后，該粘接技術(shù)作用于血管內(nèi)皮以保證血管重建。初始階段借助于兩端血管磁環(huán)相互作用，使血流在短時(shí)間恢復(fù)流動(dòng)；水凝膠粘接逐漸與血管內(nèi)皮形成強(qiáng)共價(jià)鍵。撤去磁環(huán)后，水凝膠粘接維持正常血壓。
展開 《大分子》可調(diào)諧和大規(guī)模模型網(wǎng)絡(luò) StarPEG-DNA 水凝膠
照片顯示了凝膠在室溫 (RT) 下的適印性和自支撐性質(zhì)。
【總結(jié)】
團(tuán)隊(duì)報(bào)告了對(duì)基于帶有雙鏈接頭的
starPEG-DNA 構(gòu)建塊的準(zhǔn)理想模型網(wǎng)絡(luò)水凝膠的表征的首次詳細(xì)研究。
材料設(shè)計(jì)建立在
團(tuán)隊(duì)
最近開發(fā)的 OP-LPOS 合成策略的基礎(chǔ)上，該策略為大規(guī)模聚合物/DNA 混合材料開辟了道路。可以通過(guò)改變接頭長(zhǎng)度和改變鹽度和構(gòu)建塊的濃度來(lái)訪問(wèn)廣泛的屬性空間。凝膠 G' 值可在 20 Pa 至 3.1 kPa 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此在細(xì)胞機(jī)械感應(yīng)發(fā)生的范圍內(nèi)。(60-62) 松弛時(shí)間尺度也特別可通過(guò)鹽度調(diào)節(jié)。在二價(jià)陽(yáng)離子 (Mg
2+
) 存在下組裝的所有水凝膠在 10 °C 的測(cè)量頻率范圍 (f = 0.001–100 Hz) 中沒(méi)有顯示弛豫時(shí)間，但在其他條件下沿寬譜發(fā)生相應(yīng)變化。水凝膠的形成是堅(jiān)固的，這種 starPEG-DNA 水凝膠的機(jī)械性能可以承受反復(fù)的加熱和冷卻循環(huán)，并且在水凝膠組裝幾個(gè)月后，諸如 Tco 和 τ 等性能仍能保持。
水凝膠組裝所需的構(gòu)建塊、通過(guò)
OP-LPOS 的 starPEG-T20 和通過(guò)自動(dòng)固相合成的 DNA 接頭的合成的簡(jiǎn)便性和可擴(kuò)展性，應(yīng)該促進(jìn)這種水凝膠作為生物材料在各種應(yīng)用中的應(yīng)用。因此，
該
工作奠定了基礎(chǔ)，但包括使用適體、酶促反應(yīng)片段或靶向（例如，使用更復(fù)雜的 DNA 接頭的應(yīng)變硬化水凝膠）的更高水平反應(yīng)的充分可能性似乎是可行的。
展開 