【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】水凝膠具有類似于細(xì)胞外基質(zhì)的理化性質(zhì)，具備良好力學(xué)性能、自愈合能力和響應(yīng)性，可用于構(gòu)建組織再生的微納米仿生結(jié)構(gòu)，并提供微米尺度的表面形態(tài)來調(diào)節(jié)細(xì)胞行為，如細(xì)胞粘附、遷移或生存增殖分化因子的釋放。因此，水凝膠被廣泛應(yīng)用于組織工程和藥物遞送等領(lǐng)域。然而，制備高精度的三維(3D)任意生物相容性水凝膠支架頗具挑戰(zhàn)性。為了適應(yīng)未來生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，亟需開發(fā)具有精細(xì)3D幾何結(jié)構(gòu)的新型水凝膠材料。
 

　　近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)中心有機(jī)納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究員鄭美玲團(tuán)隊(duì)在《ACS應(yīng)用材料與界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上，發(fā)表了題為22 nm Resolution Achieved by Femtosecond Laser Two-Photon Polymerization of a Hyaluronic Acid Vinyl Ester Hydrogel的研究成果。該研究提出了真3D高精細(xì)任意可設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)控單細(xì)胞的新策略。
 

　　科研人員采用飛秒激光雙光子聚合技術(shù)，以乙烯基酯透明質(zhì)酸(HAVE)水凝膠作為單體材料，P2CK作為高效水溶性雙光子引發(fā)劑，二硫蘇糖醇(DTT)作為硫醇-烯點(diǎn)擊化學(xué)交聯(lián)劑和PBS緩沖溶液配制了HAVE前驅(qū)體，通過配方優(yōu)化和激光焦點(diǎn)調(diào)控在水凝膠結(jié)構(gòu)分辨率上取得了重要進(jìn)展即最高分辨率達(dá)22 nm，制備了與細(xì)胞尺寸相當(dāng)?shù)乃z3D微支架并驗(yàn)證了材料與結(jié)構(gòu)的生物相容性，表明HAVE水凝膠細(xì)胞支架可進(jìn)一步用于研究細(xì)胞遷移和操作等行為。
 

　　該團(tuán)隊(duì)開展了配方優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，通過改變單體和引發(fā)劑的質(zhì)量比及控制硫醇-烯官能團(tuán)比例篩選出溶解性好、易于加工和聚合性能良好的HAVE前驅(qū)體配方。
 

　　在幾十納米尺度的分辨率中，體素相對(duì)于基底的位置是不可忽略的影響因素。為了進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)分辨率，該團(tuán)隊(duì)根據(jù)激光焦點(diǎn)體素理論調(diào)控焦點(diǎn)與基底相對(duì)位置從而獲得更高分辨率的線結(jié)構(gòu)。如圖2所示，大功率激光焦點(diǎn)光斑明亮，且體素體積較大，不易得到最佳焦點(diǎn)位置，而小功率激光焦點(diǎn)光斑較弱，體素體積更小，更易獲得最佳焦點(diǎn)位置，基于此方法獲得了更高分辨率的線結(jié)構(gòu)。
 

　　通過上述配方優(yōu)化和焦點(diǎn)調(diào)控，科研人員開展了HAVE前驅(qū)體C配方的分辨率研究。當(dāng)掃描速度為6 μm/s時(shí)，線結(jié)構(gòu)的質(zhì)量得到了顯著提高(圖3a)，結(jié)構(gòu)完整致密。研究利用HAVE前驅(qū)體C配方實(shí)現(xiàn)了22 nm的分辨率(圖3c)。
 

　　進(jìn)一步，研究對(duì)HAVE前驅(qū)體配方進(jìn)行了3D水凝膠微結(jié)構(gòu)的雙光子聚合加工，利用原子力顯微鏡測(cè)量了3D細(xì)胞支架的楊氏模量，平均值94 kPa接近體內(nèi)組織的力學(xué)性能。研究對(duì)配方中水溶性引發(fā)劑P2CK和3D細(xì)胞支架進(jìn)行了生物相容性測(cè)試，驗(yàn)證了該材料和結(jié)構(gòu)具有良好的生物相容性。
 

　　綜上，該團(tuán)隊(duì)全面研究了HAVE水凝膠光刻膠的雙光子聚合性能，通過優(yōu)化光刻膠前驅(qū)體的配方和調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置獲得了22 nm的特征線寬，并驗(yàn)證了材料和3D水凝膠細(xì)胞支架的生物相容性。本研究提出的方案，有望創(chuàng)建復(fù)雜的生物相容性3D水凝膠結(jié)構(gòu)，并探索其在個(gè)性化微環(huán)境調(diào)控、組織工程、生物醫(yī)學(xué)和仿生科學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
 

　　上述成果是該團(tuán)隊(duì)前期一系列仿生水凝膠工作的拓展。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)面上基金、中國科學(xué)院國際伙伴計(jì)劃等的支持。
 

圖1.3D水凝膠的制備示意圖
 

表1 A-E系列HAVE前驅(qū)體配方優(yōu)化及性能比較
 

　　圖2.體素形態(tài)和相對(duì)基底位置對(duì)大功率變化(a)和小功率變化(b)聚合線結(jié)構(gòu)分辨率的影響
 

圖3.HAVE前驅(qū)體C配方雙光子聚合性能研究
 

　　圖4.A和C配方制備的3D細(xì)胞支架結(jié)構(gòu)的SEM對(duì)比圖以及水凝膠支架上共培養(yǎng)L929細(xì)胞的共聚焦熒光顯微鏡圖像