久久精品免费观看_欧美日韩精品电影_91看片一区_日日夜夜天天综合

 【背景介紹】

適應性行為（如引發(fā)的崩解）為生物材料在材料科學和工程學的各種應用中提供了廣泛的范圍和實用性。由于環(huán)境因素以及在醫(yī)療實踐中越來越多地使用植入物，這種材料的影響持續(xù)增長。但是，這種材料的例子仍然很少。即使用可逆共價化學，現有設計在很大程度上是統(tǒng)一的，因此受到相同方法的限制?？赡婊瘜W連接的優(yōu)點在于，由于共價鍵的強度，形成堅固的材料。但是出于同樣的原因，共價鍵斷裂通常需要過多的能量輸入（例如，高溫，紫外線等）。在許多應用中，將要求這種能量輸入是局部的，以免對周圍的材料和/或生物組織無損害，這本身就是一個艱巨的設計挑戰(zhàn)。另一個重要的考慮因素是，如果將適應性行為設計為具有成功使用歷史的現成材料中，特別是在生物醫(yī)學方面，將具有很大的益處。

【科研摘要】

最近，奧胡斯大學Morten T. Jarlstad Olesen教授團隊設計了響應內部局部加熱（由近紅外光作為外部刺激介導）來觸發(fā)水凝膠生物材料的液化。使用金納米顆粒或有機光熱染料作為生熱劑，將這種適應性行為設計到基于聚乙烯醇的隨時可用的物理水凝膠中。在激光照射下，工程生物材料會在幾秒鐘內發(fā)生液化。脈沖激光輻照可按需釋放所裝貨物，對小分子以及其生物功能形式的蛋白質（酶）非常成功。該成果在7月《ACS Nano》以題為“Remotely Triggered Liquefaction of Hydrogel Materials”發(fā)表。

示意圖1.通過鏈間氫鍵鍵合和疏水相互作用相互作用形成熱可逆水凝膠結的聚乙烯醇鏈示意圖

【圖文探討】

作者假設可以使用近紅外（NIR）光作為刺激來誘發(fā)內部熱量的產生。與高能紫外光不同，近紅外光具有更深的穿透深度，可穿透包括人體組織在內的各種材料，并且在生物醫(yī)學領域對生物更友好。金納米粒子（AuNP）在由粒徑和形狀定義的波長（包括光譜的NIR區(qū)域）共振吸收光，并以熱的形式釋放吸收的光子能量。圖1A制備了AuNP并在500 nm處有最大吸收。這些顆粒還由于非球形顆粒大小和/或聚集而在光譜的NIR范圍內顯示出所需的寬吸收率（圖1C）。用NIR激光（808 nm，1.5 W）照射后，AuNP的水懸浮液提供了溫度的快速升高，這是預期應用所希望的（圖1D）。NIR光轉換為熱也可以通過有機光熱分子介導。合成了吲哚花青綠色染料（已批準用于人類注射）的類似物，但具有可結合的羧酸酯基（圖1E）。這種染料（以NIR785表示）及其與PVA的結合物在光譜的NIR部分顯示出特征吸收（圖1F），并且在使用NIR激光照射后溶液溫度迅速升高（圖1G）。

圖1.AuNP的TEM，DLS，UV等的表征。

對于材料設計，使用冷凍凝膠化（冷凍-解凍）組裝PVA水凝膠。為了研究和可視化遠程觸發(fā)的材料分解，從20μL溶液液滴中制造出水凝膠材料，然后將其用作塞子，以阻止水在巴斯德吸管中流動（圖2）。沒有激光照射的組裝水凝膠在37°C的條件下堅固且穩(wěn)定至少1周（圖2A）。相反，在用NIR光（1.5 W激光）照射后，凝膠在數秒內發(fā)生液化（圖2B，C）。包埋金NP的水凝膠（圖2B）和含PVA-熱致變色染料的全有機水凝膠（圖2C）都是如此。值得注意的是，后一種水凝膠僅包含PVA和水，且其質量分數僅為生熱組分的微小部分（總固體含量<1 wt％）。從環(huán)境的角度和/或在這些材料的生物醫(yī)學應用的背景下，這種考慮可能被證明是重要的。根據液化動力學和水凝膠內產生的溫度進行液化的定量評估。對于AuNP和含染料的水凝膠，通過基于熱像儀的成像記錄，激光輻照導致材料內部溫度逐漸升高（圖2D-F）。在臨界溫度下，水凝膠樣品經歷了凝膠-溶膠轉變，并在重力作用下從移液管中流出。響應的特征時間約為15-20 s。一個非常重要的觀察結果是，在該溫度下延長的時間孵育相同的水凝膠樣本保持健壯和完整，并沒有發(fā)生液化（圖2G）。

圖2.PVA水凝膠摻混AuNP和NIR785染料等表征

接著熒光素-PVA共軛物可作為模型熒光貨物，以方便量化搏動貨物的釋放。12個激光脈沖中的每一個脈沖都增加了上清液的熒光強度，并相應增加了上清液中釋放的貨物的濃度（圖3C）。在該實驗中，輻照脈沖的持續(xù)時間不是決定性的，30和120 s的脈沖釋放的貨物量基本相同。這很可能是由于在本實驗中使用的薄樣品中，用激光照射的水凝膠區(qū)域幾乎完全溶解。因此，每個脈沖的貨物釋放量幾乎是恒定的（由射束幾何形狀控制），這對于受控藥物釋放應用是有利的。還可以通過使用持續(xù)時間短于水凝膠完全溶解所需時間的激光脈沖照射相同的樣品，在相同的位置來實現脈沖釋放。在每種情況下，作者觀察到每個連續(xù)的激光脈沖都能可靠，脈沖式釋放貨物（圖3D）。通過四個脈沖，貨物的釋放幾乎完成，水凝膠標本的溶解也是如此（圖3E）。

圖3. 含有PVA-NIR785熱敏色素的PVA水凝膠的脈沖溶解的可視化和定量，以及在NIR激光照射下作為模型共軛貨物釋放的PVA-FITC。

脈沖釋放的上述示例基于定制的PVA和帶有NIR785染料的聚合物共軛物。為了建立一個更容易獲得的平臺，作者認為也可以使用復合結構將小分子貨物固定在水凝膠中，從而脂質體亞區(qū)室可以作為藥物滯留庫。脂質體脂質雙層的滲透性是熱敏的，溫度升高會觸發(fā)貨物釋放。復合水凝膠還包含PVA-NIR785，并用比完全溶解材料短的NIR激光脈沖刺激。溫度的局部升高導致脂質體小室的滲透性瞬時增加和鈣黃綠素的釋放，然后鈣黃綠素從水凝膠中擴散到周圍的溶液中（圖4A，B）。鈣黃綠素自脂質體的不可忽略的自發(fā)（非激光觸發(fā)）釋放最有可能反映了為該研究選擇的脂質的次佳選擇，并且可以通過優(yōu)化脂質組成使其最小化。然而，最重要的是，脈沖激光輻照提供了高度期望的，觸發(fā)的脂質體貨物釋放（圖4B）。

最后，作者旨在進行激光誘導的可能是最具挑戰(zhàn)性的貨物運輸，即生物藥物。使用β-葡萄糖醛酸苷酶（GUS）蛋白作為模型生物分子，并通過與PVA混合并隨后冷凍凝膠將其摻入水凝膠生物材料（圖4C-E）。后者基于PVA（MN 90 kDa）的商業(yè)樣品，并包含AuNP作為熱源。在用激光束照射后，收集液化的樣品，并補充以GUS特異性熒光活性探針，熒光素二（β-d-葡萄糖醛酸）。在體內成像系統(tǒng)（IVIS Spectrum，圖4D）上可視化溶液的熒光，并在多標記酶標儀上進行定量（圖4E）。兩種讀數均表明液化水凝膠具有高水平的酶促活性。換句話說，易碎的生物貨物已成功地摻入到PVA水凝膠中，隨后使用外部NIR激光刺激以其催化活性形式釋放。生物制劑在每年進入市場的藥物中所占的比例越來越高，因此高度有必要保證生物藥物的控釋。

圖4. 圖解說明（A，C）和實驗數據（B，D，E）說明了在NIR照射下按需從PVA水凝膠中釋放貨物的過程。

【陳述總結】

綜上所述，該結果為利用近紅外激光輻射實現水凝膠材料的遠程液化提供了機會。PVA水凝膠是長期有效的生物材料。這些基質已用于組織工程，形狀記憶材料和自愈材料的組裝以及其他應用，其中對材料屬性的遠程控制非常有益，并且可以實現令人興奮的新應用。這項研究取得全面成功的關鍵是，使用了通過熱可逆氫鍵穩(wěn)定的物理水凝膠。水凝膠的儲能模量G'約為300 Pa，因此類似于血凝塊，物理肽水凝膠和基質膠（人工細胞外基質）。水凝膠中的內部熱傳感器（納米顆粒，光熱染料）在凝膠中進行近紅外照射后提供了快速的局部溫度升高，導致液化。事實證明，在水中快速散發(fā)熱量是有利的，因此，可以使用近紅外輻射成功地蝕刻復合PVA水凝膠。此外，對于生物醫(yī)學應用，該技術還可以通過NIR激光的短脈沖介導并入藥物（小分子或生物制劑）的脈沖釋放。未來的工作將考慮工程可逆液化，以便在沒有激光照射的情況下，生物材料恢復到凝膠狀態(tài)。作者相信，貨物的遠程觸發(fā)液化和/或脈沖釋放將在從生物技術和生物醫(yī)學到可循環(huán)利用材料和可逆密封劑設計的各種應用中證明是有用的。

【通訊簡介】

Morten T. Jarlstad Olesen，94-03年，俄羅斯莫斯科國立大學本博連讀。00-01年訪問學者，哈佛大學麻省理工學院健康科學與技術系，美國麻省劍橋市麻省理工學院，實驗室負責人：Robert Langer教授。03-04年博士后研究員，化學與生物分子工程系，澳大利亞墨爾本大學，合作導師：Frank Caruso教授。博士后研究員，化學與生物分子工程學院，美國紐約州伊薩卡市康奈爾大學，合作導師：David Putnam教授。09年加入丹麥奧爾胡斯大學化學系，13年升任副教授。其主要研究在合成受體，納米酶，抗病毒聚合物治療劑，SMEPT：底物介導的酶前藥治療，微結構聚乙烯醇水凝膠等領域。