《ACS Nano》功能共組裝有機-無機水凝膠可分層礦化和新生血管形成

結合有機和無機成分的合成奈米結構材料由於不同成分的固有特性的獨特但互補的性質，為廣泛應用提供了一類獨特、強大和通用的材料。最近，

倫敦瑪麗女王大學Alvaro Mata教授團隊

報告了一種基於

合成奈米粘土（Laponite，Lap）和肽兩親物（PAs，PAH3）的超分子系統

，其設計合理，

可共同組裝成具有高結構完整性和一系列生物活性的奈米結構水凝膠

。

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利用光譜和散射技術以及分子動力學模擬方法來確認PAH3

奈米纖維

靜電吸附並符合 Lap 奈米盤的表面。電子和原子力顯微鏡也證實了與 Lap 共組裝後 PAH3 奈米纖維的直徑和表面積增加。動態振盪流變學表明，共組裝的 PAH3-Lap 水凝膠顯示出高剛度和強大的自愈行為，而氣體吸附分析證實了分層和異質孔隙度。此外，

三維 (3D) 矩陣中的這種獨特結構為高縱橫比羥基磷灰石奈米棒在3D矩陣內成核和分層組織成明確定義的球形簇提供了空間限制

。有機-無機PAH3-Lap水凝膠的適用性在體外使用人骨髓基質細胞（hBMSCs）和體外使用雞絨毛尿囊膜（CAM）測定進行評估。結果表明，

有機-無機PAH3-Lap水凝膠促進人體骨骼細胞增殖，並在礦化後與 CAM 結合，被血管浸潤，刺激細胞外基質產生，並促進相對於對照的廣泛礦物質沉積

。相關論文以題為De Novo Design of Functional Coassembling Organic–Inorganic Hydrogels for Hierarchical Mineralization and Neovascularization發表在《

ACS Nano

》上。

主圖

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圖 1.

剝離的 Lap 奈米盤 （-ve） 和 PA （+ve） 的超分子共組裝，以建立能夠引導羥基磷灰石晶體成核和分級生長的 3D 水凝膠。

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圖 4. 水凝膠的表面和機械效能。

（a） PAH3-Lap 水凝膠製備的示意圖。（b） 與 PAH3-Lap 水凝膠相比，PAH3 和 Lap 的儲存 （G‘） 和損失 （G“） 模量。（c） 時間掃描流變儀顯示 PAH3 和 PAH3-Lap 水凝膠的觸變性。（d） 光學影象顯示 PAH3-Lap 水凝膠的堅固性和自愈能力。（e） PAH3（方形曲線）、Lap（圓形曲線）和 PAH3-Lap（三角形曲線）幹凝膠的 N2 吸附等溫線。（f） PAH3、Lap 和 PAH3-Lap 幹凝膠的累積孔體積。

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圖 5. 水凝膠中的生物礦化。

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圖 7. PAH3-Lap 水凝膠的生物學適用性。

總結

該團隊開發了一種共組裝有機-無機水凝膠平臺，用於體外晶體生長，由 3D 超分子限制框架內的顆粒附著機制介導。設計策略取決於 Lap 奈米盤和陽離子 PAH3 分子之間的靜電相互作用，以將有機和無機組分的固有特性整合到獨特的有機-無機水凝膠結構中。所得材料顯示出高表面積、高機械效能和自修復效能。

此外，共組裝的 PA-Lap 水凝膠顯示出一種奈米級結構，可作為羥基磷灰石從有序奈米棒分級生長到明確定義的球形簇的密閉空間

。該研究探索了這種礦化機制，作為一種仿生 3D 模型來調節氟化羥基磷灰石的成核和時空組織。

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該模型用於瞭解 PAH3-Lap 水凝膠中的 Lap 奈米盤和 PAH3 奈米纖維在指導羥基磷灰石奈米棒跨多個長度尺度的生長方面的作用。在原子水平上，PAH3-Lap 的礦化取決於擴散驅動的過程，其中區域性離子濃度和過飽和是由與 Lap 的超分子相互作用介導的。此外，PAH3-Lap 水凝膠的奈米級結構促進了奈米棒晶體的嵌入和隨後在微米尺度上生長成獨特的球形簇。有趣的是，這些礦化 PAH3-Lap 奈米複合水凝膠在支援細胞生長、刺激細胞進入、血管浸潤、ECM 產生和 CAM 模型中的礦物質沉積方面優於所有對照組。

除了這些優勢之外，該系統的剪下稀化特性使其成為適合用作 3D 列印應用的生物墨水的材料。

總的來說，這項研究提出了一種奈米技術方法來設計整合和高階自組裝奈米材料，在再生醫學中具有潛在的廣泛應用。

參考文獻

：

doi。org/10。1021/acsnano。0c09814