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华盛顿大学研究团队Science子刊报道新型超亲水仿生“隐形”材料
2019-06-21 来源:中国流变网    点击次数:267次    

  来自生物分子、细胞和微生物的非特异性吸附(即生物污染)对医疗植入物,药物递送载体和生物传感器等诸多应用形成了巨大的挑战。例如,医疗植入物在植入体内后不久就会被宿主蛋白所覆盖,进而引起不可逆转的异物反应,包括炎症、感染、组织纤维化等一系列医源并发症,最终导致失效。因此,减少或消除“生物污染”对于医疗装置和药物的安全性和功效性至关重要。

  一些亲水性材料被证明可以通过水合作用形成水合外壳阻止生物分子或细胞接触表面,使其底层的基底“隐身”,从而降低基底表面的生物污染。

  在这些亲水性材料中,聚(乙二醇)(PEG)长久以来被作为“金标准”广泛的应用于医疗器械和药物的开发中。然而,PEG易受氧化损害,并可引起不良免疫反应,在近年来引起了对其安全性的严重关注。此外,包括PEG在内的大多数亲水材料的水合作用能力并不足以使表面完全隐身,很难满足实际应用的无污需求,尤其是在复杂的生理环境中。

  近日,华盛顿大学的研究人员报告了一种衍生自三甲胺氮氧化物(TMAO)的仿生聚合物作为新一代超亲水隐形材料。 TMAO是一种在深海鱼类中发现的两性离子渗透物,可以抵消尿素和压力对蛋白质的不稳定作用。研究人员发现,TMAO独特的两性离子结构赋予它优异的水合能力,并且这种性能在TMAO的聚合物版本- PTMAO中得到很好的维持(图1)。由于具有超亲水能力,PTMAO表现出极为出色的抗非特异性蛋白质吸附和细胞粘附的能力,且免疫原性极小。

高效抗生物污染

  该团队首先对TMAO聚合物在体外进行污染测试,结果表明PTMAO对于纤维蛋白原的吸附量相对于聚丙烯(PP)下降了97.6%;PTMAO相对于PVA而言对于补体C5b-9的影响较小;从细胞培养的结果来看,与TCPS相比,PTMAO在3天的细胞培养后其表面依然为洁净表面(每100 μm2少于两个细胞)。这些结果表明PTMAO具有高抗生物污染的性质,有望用于医疗应用。

图二 PTMAO抗污染性质的体外测试。(A)通过ELISA测定的纤维蛋白原吸附到PP和PTMAO水凝胶表面的相对吸附量。(B)使用PVA和PTMAO水凝胶进行补体C5b-9激活对比。(C)培养3天后NIH 3T3细胞粘附于组织培养聚苯乙烯(TCPS)和PTMAO水凝胶上的数量。(D)在人血清中不同厚度的PTMAO薄膜的SPR传感图。

对免疫识别几乎不可见!

  然后对TMAO的最小免疫原性进行测试,5周的测试结果表明PEG接枝的钥孔血蓝蛋白(KLH,keyhole limpet hemocyanin),能显著的引发PEG特异性抗体(IgM平均滴度高于4000,IgG平均滴度高于1000),而TMAO对免疫识别几乎是不可见的,TMAO接枝的KLH没有引起可检测的TMAO特异性抗体(IgM和IgG平均滴度低于200)。说明TMAO聚合物即使在极具挑战性的体内环境中也可以保持其优越的抗生物污染性。

图三 评估PTMAO的免疫原性。(A)向C57BL/6J小鼠皮下注射PEG-KLH或PTMAO-KLH(n = 5)5个剂量(每周一剂)。在第7、14、21、28、35天时收集小鼠血液。通过ELISA试验检测小鼠血清中聚合物特异的IgM(B)和IgG(C)的滴度。

  生物污染妨碍了医疗器械的性能,并对植入物的愈合过程产生不利影响。作为一种安全,高效的隐形材料,PTMAO的发现为解决生物污染带来的许多棘手问题提供了广泛适用的工具,是隐形材料发展的重要里程碑。相关研究以“Trimethylamine N-oxide–derived zwitterionic polymers: A new class of ultralow fouling bioinspired materials”为题,发表在《Science》子刊《Science Advances》上。论文的第一作者为Bowen Li(李博文),共同第一作者为Priyesh JainJinrong Ma,通讯作者为Shaoyi Jiang(江绍毅)教授

  论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw9562

 
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