约翰霍普金斯大学Adv. Funct. Mater.：环糊精调制的I型胶原蛋白自组装来制备仿生角膜植入物

【引言】

I型胶原蛋白是人体内最常见的一种蛋白，在很多组织中发挥着结构基元的重要角色。在角膜中，胶原蛋白形成直径约36纳米的纤维，并且纤维进一步平行排列得到层状结构，从而满足了坚固、透明组织的功能需要。临床上，开发角膜替代物来代替人体器官移植具有重要意义。目前已经有基于聚（甲基丙烯酸甲酯）和聚（2-羟乙基丙烯酸甲酯）等合成聚合物的现成角膜替代品，但是这些移植物不能有效与周围组织融为一体并最终会被排出眼外。最近，胶原蛋白基的生物角膜替代物也得以成功合成，相对于聚合物来说它们具有良好的生物相容性，然而缺乏结构组织限制了其功能特性。因此，从开发角膜替代物的角度来说，获得合适的材料机械性质以同时满足缝合和视力透明度的要求仍是一个严峻的挑战。

【成果简介】

近日，约翰霍普金斯大学Jennifer H. Elisseeff教授、Anirudha Sing教授与郭琼玉教授合作，利用环糊精实现了胶原蛋白纤维化和纤维排列的调制，成功得到了一种高度透明且机械强度高的胶原蛋白玻璃胶移植物，该移植物具有模拟天然角膜的超微结构。研究表明，环糊精能够与胶原蛋白分子相互作用，从而影响玻璃化过程并促使胶原蛋白原纤维形成片状结构。该成果以题为"Cyclodextrin Modulated Type I Collagen Self-Assembly to Engineer Biomimetic Cornea Implants"发表在Advanced Functional Materials上。

【图文导读】

图1环糊精调节原纤维形成和排列

(a) 环糊精与胶原蛋白相互作用示意图；

(b) 环糊精/胶原蛋白材料与不同厚度的胶原蛋白玻璃胶的比较；

(c) 500微米厚植入物的图片，表明其光学透明度；

(d) 通过仔细剥离单层来证明植入物中宏观层状结构；

(e) 通过缝合拔出测试装置来测量生物材料的缝线保留；

(f) 用来监测玻璃胶缝线保留强度的峰值负载测量。

图2环糊精官能团影响胶原纤维结构、透明度和机械性质

(a) 通过混合等体积的胶原蛋白和环糊精缓冲液来制备胶原蛋白玻璃胶，过程涉及凝胶化、微原纤维组装以及在玻璃化过程中原纤维生长和重组；

(b) 胶原蛋白、β环糊精/胶原蛋白、β环糊精-琥珀酰/胶原蛋白以及天然兔角膜的TEM和SEM图像；

(c) 有无环糊精的胶原蛋白玻璃胶在可见光谱范围内的光透射；

(d) 杨氏模量和断裂应变测量以监测环糊精掺入后玻璃胶的拉伸性能；

(e) 环糊精功能化前后胶原蛋白玻璃胶的振荡流变性质；

(f) 差示扫描量热法分析图以确定环糊精掺入对玻璃胶热稳定性的影响。

图3 胶原蛋白与环糊精间的分子相互作用及其对原纤维形成的影响

(a) 圆二色光谱用来证明可溶性胶原蛋白和β环糊精相互作用后热稳定性的变化；

(b) 有无环糊精条件下胶原蛋白三螺旋结构的圆二色光谱；

(c) 将β环糊精和β环糊-琥珀酰加入可溶性胶原蛋白后，紫外-可见光谱吸收峰值的偏移；

(d) 通过QCM分析得到的胶原蛋白涂覆基底上β环糊精和β环糊-琥珀酰沉积和结合引起的频率变化；

(e) 通过ITC测量的β环糊精与胶原蛋白之间的结合亲和力；

(f) β环糊精化学结构以及β环糊精疏水内核与胶原蛋白疏水基团之间的相互作用的示意图；

(g) β环糊-琥珀酰化学结构以及将β环糊-琥珀酰引入到胶原蛋白后高度亲水琥珀酰侧链带来额外相互作用的示意图。

图4 仿生胶原蛋白-环糊精植入物的功能兼容性和手术体内性能

(a) 体外兔角膜中环糊精/胶原蛋白材料的植入示意图；

(b) 通过荧光素染色观察的72小时后角膜上皮创面愈合情况；

(c) 利用H&E组织学在72小时观察到的植入物中上皮细胞增殖情况；

(d) 通过植入的体外角膜切片的免疫组织化学DAPI（蓝色）和K-14（红色）染色来实现细胞成熟和功能上皮细胞的可视化；

(e) 用于制造具有所需曲率植入物的定制模具；

(f) 具有健康角膜曲率的透镜状β环糊精/胶原蛋白角膜植入物；

(g) 使用间断缝合的角膜植入物的体内植入和附着的示意图；

(h) 手术当天兔模型的体内眼科手术的图像；

(i) 31天时体内眼表的图像；

(j) 31天时荧光素染色（在蓝光下）以监测β环糊精/胶原蛋白植入物再上皮化的进展情况；

(k) 14天后使用Masson's Trichrome染色以实现植入物可视化的切片组织学分析；

(l) 在外围和中间伤口区域的层粘连蛋白（红色）和DAPI（蓝色）的免疫染色。

【小结】

本文中通过环糊精调制I型胶原蛋白玻璃化过程中的自组装，成功开发了一种透明且坚固的角膜替代物，该种角膜替代物具有与天然角膜类似的超微结构。环糊精能够抑制原纤维形成并调制层状组织，从而得到直径更小的纤维和片状结构，而且该植入物能够促进组织整合和支持再上皮化。因此，添加环糊精能够有效调节胶原蛋白自组装，提供了一种制备角膜仿生代替物的简单方法。

文献链接：Cyclodextrin Modulated Type I Collagen Self-Assembly to Engineer Biomimetic Cornea Implants(Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201804076)

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