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《自然·通讯》模拟皮肤的水凝胶!

Nature Communication

IF : 17.694

01. 论文简要

研究人员开发了一种新型水凝胶,该水凝胶在结构和功能上均模仿人类皮肤,具有高机械强度、强大的抗菌能力和坚实的免疫能力,为身体提供多重保护效果。 制备能同时模仿皮肤结构和功能的水凝胶一直是科学界的一个挑战。 此次,通过交联细胞膜隔室,研究团队成功生成了双重模仿皮肤的水凝胶。

该交联网络是通过自由基聚合形成的,具体方法是使用具有烯烃双键功能化的细胞外囊泡作为交联剂。 得益于囊泡变形介导的拉伸能量的耗散,这种新型的隔室交联网络展现出了比通过常规二烯基单体交联的水凝胶更高的机械强度。

此外,这些仿生水凝胶还展示了特定的抗菌活性和促进树突状细胞成熟及激活的能力,这一效果归功于细胞外囊泡中含有的多种生物活性物质。 通过引入第二网络,研究方法的多功能性得以体现: 该网络是通过催化剂自由点击反应介导的炔烃双端聚合物与装饰有叠氮化物的细胞外囊泡之间的交联,从而调整水凝胶的结构和功能。

这项研究为开发结构和功能双重可控的皮肤启发型生物材料提供了一个新的平台。

02. 背景信息

论文背景:

皮肤是与外界环境直接接触的最大人体器官,具有高机械强度、强大的抗菌能力和健壮的免疫能力,能够提供多重保护效果。模仿皮肤结构或功能的方法对于准备各种应用材料非常有吸引力。

过去方案:

过去的研究主要依靠将不同特性的多种组分或层集成到一个连贯系统中以模拟皮肤结构,例如通过集成梯度孔骨架、微型人工设备和类神经网络等模块来获取特定的皮肤功能。

论文的Motivation:

旨在通过结合聚合物科学和细胞膜模拟技术,开发一种新型的水凝胶,该水凝胶不仅具有优异的机械性能和自我修复能力,还能提供有效的抗菌保护和免疫激活,以更好地模拟皮肤的复杂功能。

03. 方法

理论背景:

本文的理论背景基于模仿皮肤的结构和功能,通过合成具有双重网络结构的水凝胶来实现。这种水凝胶结合了聚合物科学和细胞生物学的原理,利用了细胞外囊泡(OMVs)的特性,旨在提高材料的机械强度、抗菌效能和免疫激活能力。通过引入OMVs作为交联剂,研究探讨了在生物医用材料中模拟细胞膜隔室化结构的潜力,以及这种结构对材料性能的影响,包括其对抗菌和免疫响应的促进作用。
技术路线:

1.设计与准备:

选择聚丙烯酰胺作为基质,利用其生物相容性和简易的制备过程开发皮肤启发性材料。采用细胞外囊泡作为细胞膜隔室,通过多价交联聚丙烯酰胺链形成细胞膜隔室化网络。
2.增强的机械强度:

通过自由基水溶液聚合法制备水凝胶,使用丙烯酰胺、OMV-AM、过硫酸铵和N,N,N',N'-四甲基乙二胺作为单体、交联剂、引发剂和催化剂。比较了SFSHs与传统聚丙烯酰胺水凝胶的机械性能,证明了使用OMV-AM作为交联剂能显著增强水凝胶的机械性能。
3.抗菌能力:

研究了SFSHs的抗菌活性,证实了其对抑制致病菌生长的有效性。通过与自由OMVs和传统聚丙烯酰胺水凝胶的比较,表明SFSHs具有显著的抗菌效果。
4.免疫活性:

探讨了SFSHs对树突状细胞成熟和活化的促进作用,进而激活T细胞,验证了SFSHs在适应性免疫反应中的潜在应用。
5.引入不同基质的多功能性:

通过引入第二个OMV交联网络,形成互穿的双网络结构,展示了这种方法调节所得水凝胶结构和功能的多样性。这种方法的灵活性预示着通过选择不同类型的OMVs,可以赋予SFSHs多种甚至特定的抗菌活性。
04. 图表

图1.示意图

A 皮肤的示意图,本质上是一个与细胞外基质(ECM)相连的、细胞膜隔室化的高机械强度水凝胶,具有强大的抗菌能力和坚强的免疫力。

B 部分描述了SFSHs的合成途径。

C 部分讲述了通过交联细胞外囊泡所介导的SFSHs的特征。

图2.OMV-AM和SFSHs的表征。

A 分别在37°C下与SH-Cy5孵育3小时后,OMVs和OMV-AM的FCM直方图。

B 通过FCM分析测量的Cy5标记的OMVs和OMV-AM的MFI。

C Cy5标记的OMV-AM的代表性LSCM图像。

D OMV-AM的典型TEM图像。比例尺:50 nm。

E OMVs和OMV-AM的平均尺寸和F Zeta电位。

G 对照聚丙烯酰胺水凝胶和SFSHs的数字照片。

H 冻干SFSHs的典型SEM图像。

I 冻干的对照聚丙烯酰胺水凝胶和J OMV-AM SFSHs的SEM图像。

L SFSHs中Cy5标记的OMVs的代表性3D LSCM图像。

图3. SFSHs的优化。

A 不同反应温度下制备的OMV-AM形成的SFSHs的拉伸应力与应变曲线,B 拉伸应力,C 拉伸模量,D SFSHs的拉伸应变。

E 不同反应时间和操作程序下制备的OMV-AM形成的SFSHs的拉伸应力与应变曲线,F 拉伸应力,G 拉伸模量,和H SFSHs的拉伸应变。

I 不同粒子浓度下制备的OMV-AM形成的SFSHs的拉伸应力与应变曲线,J 拉伸应力,K 拉伸模量,和L SFSHs的拉伸应变。

M 不同固体含量下交联的DSPE-PEG-AM形成的SFSHs的拉伸应力与应变曲线,N 拉伸应力,O 拉伸模量,和P SFSHs的拉伸应变。

图4.SFSHs的增强机械强度。

A SFSHs在不同处理条件下的照片,包括拉伸、扭曲、打结以及首先压缩然后释放。

B SFSHs和对照聚丙烯酰胺水凝胶的拉伸应力与应变曲线,C 拉伸应力,D 拉伸模量,和E 拉伸应变。

F SFSHs和对照聚丙烯酰胺水凝胶的压缩应力与应变曲线,G 压缩应力,和H 压缩模量。

I 拉伸约400%应变前后的SFSHs的冷冻干燥扫描电镜(SEM)图像。

J 拉伸前后嵌入在SFSHs中的小囊泡的长径比和平均长径。

图5. SFSHs的抗菌能力和免疫活性。

A 在相同剂量下,与游离的OMVs、对照聚丙烯酰胺水凝胶和SFSHs一起共孵育后,测量表达的mCherry的MFI记录,STm的存活曲线。未处理的STm用作对照组。

B 在不同剂量下,与SFSHs一起共孵育后,STm的存活曲线。

C 经细菌培养计数法测定,在与游离的OMVs、对照聚丙烯酰胺水凝胶和SFSHs一起共孵育3小时后存活的STm数量。

D 经细菌培养计数法测定,在与游离的OMVs、对照聚丙烯酰胺水凝胶和SFSHs一起共孵育6小时后存活的STm数量。

E 含有与游离的OMVs、对照聚丙烯酰胺水凝胶和SFSHs一起共孵育后存活的STm的培养皿的数字图像,分别为3小时(上)和6小时(下)。这些图像显示了106倍(上)和107倍(下)稀释的结果。

F、I DC2.4细胞在与PBS、游离的OMVs、对照聚丙烯酰胺水凝胶和SFSHs共孵育20小时和40小时后,MHC II的表达水平,G、J CD80,和H、K CD86的表达水平。

图6. 示意图。

A 第二代PEG-OMV水凝胶的合成路线。通过催化剂自由的叠氮-炔基点击反应,使用OMV-N3作为交联剂,线性DBCO-PEG-DBCO作为前体,制备了OMV交联的PEG网络。

B SFSHs引入不同基质的多功能性示意图。

C SFSHs包含不同细胞膜组分的多功能性示意图。

图7. SFSHs的多功能性。

A 在25°C孵育0.5小时后,OMV和OMV-N3与DBCO-FITC一起的FCM直方图。

B FITC标记的OMV和OMV-N3的MFI值。

C FITC标记的OMV-N3的激光共聚焦显微镜(LSCM)成像。

D OMVs和OMV-N3的平均大小和E 电位。

F 包含不同OMV-N3粒子浓度的PEG-OMV水凝胶的3D LSCM成像。

G PEG-OMV水凝胶的压缩应力与应变曲线,H 压缩应力,和I 压缩模量,其中包含不同OMV-N3粒子浓度。

J Cy5标记的OMV-AM和FITC标记的OMV-N3形成的DN1的3D LSCM成像。

K SN和DN1的压缩应力与应变曲线,L 压缩应力,和M 压缩模量。

N SN和DN1在不同基质上的滑动距离。

O SN和DN1在与BSA-FITC(150μg/ml)共孵育10分钟后的MFI值和P LSCM图像。

Q SN和DN1在与NIH/3T3细胞共孵育24小时后的LSCM图像。蓝色:细胞核。

R 与PBS、游离OMVSE、SN或DN2一起共孵育24小时后,SE的生物膜形成。顶部和底部的照片分别表示由SN和DN2处理的生物膜形成。

来源:科研小恐龙

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人活的这个份儿上,既不能想往来日方长,也不会奢谈展望未来了,古稀之年已去,正视自身,已经到了读秒度日光景了,只能是努力锻炼身体,保卫好自己,不给别人找麻烦,不给孩子填堵,尽量做些对社会有益的事儿吧,在心默默祝福晚辈们龙年大吉,为着理想,砥砺前行吧!

《絮絮叨叨话龙年》2024、02、28日

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趁着元宵节去看了理想L7和蔚来es6,先试驾的理想,确实空间感、大彩电、大沙发深得老公喜欢,但带了空悬的试驾车晃的让我晕(本身就晕车),老公性子比较急要现车,准备定理想,可我不死心,更看中颜值的我决定再试驾一下蔚来,买车也不是小事,总要比较一下。一试不得了,香啊、软啊、精致啊…油门和方向盘很轻,座椅比理想的软,驾驶起来很稳,空间很大,女生操控很轻松,再一对比价格,蔚来也就贵了两万块,后期无后顾之忧,无保养、无续航焦虑(换电站就在家门口),出远门也可换大电池,免去高速充电的费时,不犹豫了,冲~
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