《Nature》子刊：纳米颗粒的形状如何影响水凝胶的强度和粘附性能？

（原文来自久久自媒体）

生命系统的特征是外形多样。从球形HIV病毒到杆状烟草花叶病毒，星状细菌和多形细胞，已知形态能够付与基于特定功能的进化优势，例如与外观的互相感化，被动扩散和自动活动。为了模拟天然生物体的构成，科学家们设计了各类各样的纳米粒子，从碳聚合物到无机或金属材料。然而，从天然世界到合成世界，球形纳米颗粒几乎代表了被普遍研究的独一形态，其用途普遍：从药物输送，防污和抗菌剂，到纳米复合材料，纳米构造被封装在材估中以提高其机械机能和生物学相关性。其背后的首要原因是，制造具有各向异性外形的合成纳米材料具有极大的挑战性，是以能够正确掌握聚合物纳米粒子的物理化学性质（如外形，尺寸和外观化学性质）的手艺为凭据需要的应用定制这些纳米构造供应了或者。英国伯明翰大学RachelK.O’Reilly传授历久从事于将聚合物的超分子组装成为周详的纳米构造的研究，他们缔造性的提出假设-水凝胶材料之间的机械机能和粘附性能够经由整合和调节水凝胶中的纳米颗粒的外形来掌握。本文作者追求经由使用结晶驱动自组装（CDSA）制备聚合物纳米颗粒来探究纳米颗粒外形对材料机能的影响。该方式许可对纳米粒子的直径，形态和外观化学进行高度掌握，然后将纳米颗粒将海藻酸钙水凝胶夹杂，探究了当分歧形态的纳米粒子混入后对水凝胶外观之间的粘附力和材料的机械强度以及生物相容性的影响。 （本文来自久久自媒体）

具体步伐：

1、PLLA35的纳米颗粒的制备

如图1所示，聚（L-丙交酯）基嵌段共聚物(PLLA)被行使制备成球形，圆柱形以及片状的纳米颗粒。经由使用结晶驱动自组装（CDSA）化学方式获得分歧形态的纳米颗粒为基于颗粒外形去研究纳米构造机能打开了大门。假设分歧的纳米颗粒形态具有分歧的亲和力和影响交联的能力，本文试图研究藻酸盐凝胶的两个刚切开的瘦语部门之间的粘合能是否取决于用作粘合剂的纳米颗粒的外形。

图1:分歧形态的纳米粒子的透射电镜图。

2、使用分歧形态的基于PLLA35的纳米颗粒粘合的海藻酸钙水凝胶块的粘合特征。

经由将藻酸盐（1.5wt％），碳酸钙和D-葡萄糖酸-δ-内酯（GDL）夹杂在一路而制备的钙藻酸盐水凝胶被选为优选的水凝胶材料，然后将季铵化的（正电荷）纳米片在水平分散后用作粘合剂将两个海藻酸钙水凝胶块粘合在一路。将一滴10µL的纳米片溶液以胶水的形式铺展在水凝胶外观（约5mm×10mm）上，并将另一块水凝胶置于顶部（图2a-d）。抬起顶块在10分钟内视察到两块水凝胶粘附在一路。以沟通的体式粘贴其他的水凝胶块以形成一个桥，该桥充沛牢靠以在水平吊挂在两个立柱之间或垂直吊挂在一根针上（图2b）。当零丁使用海藻酸钙凝胶或使用水或季铵化的均聚物溶液作为胶水替代品时，视察到的粘合力可忽略不计，这表明在界面处存在季铵化的片状纳米颗粒是视察到的水凝胶之间存在粘合性的原因。为了进一步商量这一点，本文评估了尺寸和外观电荷对纳米片粘附特征的影响（图2f，g）。首先，对照了小（372nm（长）××223nm（宽）），中（893×528nm）和大（1700×993nm）片状纳米粒子，与中大尺寸比拟，小纳米片显露出更高的粘附强度（图2f）。我们推想，这种与尺寸有关的行为是小纳米片既位于凝胶外观概况上又彼此不互相感化以形成比大纳米片更好的粘合层的能力的究竟，而大尺寸的纳米片倾向于彼此重叠，从而限制了它们与凝胶外观的互相感化。而且电荷也是主要的影响身分，如图2g所示，与阴离子，两性离子和中性纳米片比拟，季铵化正电荷纳米片供应了更高的粘附能，这或者是因为它们与水凝胶游离的藻酸盐基团更强的互相感化所致。

图2，海藻酸钙水凝胶的粘合机能表征。

3、富含分歧形态PLLA35纳米颗粒的海藻酸钙水凝胶的流变特征。

本文接着研究纳米颗粒形态是否也可用于调节相关藻酸盐水凝胶的机械机能。如先前所述制备水凝胶，并经由在室温下以恒定浓度的钙掺入各类量的纳米片，然后进行流变力学测试以量化凝胶强度。对于所有凝胶，在多次运行中均视察到宽的线性粘弹性区域和收集损坏，而且与存储和损耗模量（离别为G'和G''）的频率相关。在球形纳米颗粒存鄙人胶凝后，应变相关的扭转流变学测试表明，在G'和G''的交叉点处的应变略有增加，材料以〜25％的应变局限内连结胶体状况。当不使用任何纳米颗粒时的断裂应变约为10％（图3c，d）。含有圆柱形胶束的水凝胶的断裂应变为15％（图3b，d），与没有纳米颗粒添加剂的凝胶比拟，转变很小。这无独有偶，因为估计圆柱状纳米颗粒的拉伸形态与藻酸盐凝胶的互相感化较少，这是因为每个粒子的外观积较低从而导致较低的断裂应变。

图3，富含分歧形态PLLA35纳米颗粒的海藻酸钙水凝胶的流变特征。

4、NCs的细胞相容性和组织粘附

为了在组织工程应用中使用增加型和粘附性藻酸盐水凝胶，我们对生物材料的细胞相容性进行了7天的脂肪起原干细胞（ASC）3D培育。3天和7天后，含纳米片的海藻酸钙水凝胶的细胞活力与对照组海藻酸钙水凝胶邻近。没有视察到统计学差别，这表明该材料具有高度的细胞相容性（图4c）。此外，在生理前提下研究了含有纳米片水凝胶粘附载有细胞的水凝胶的能力。使用PLLA35-b-PDMAEMA315纳米片作为层之间的粘合剂，构建了具有瓜代层的ASCs凝胶和无细胞凝胶的瓜代层的构建体。当浸入37°C的细胞培育基中时，水凝胶溶胀后，粘合部位仍连结完整。有趣的是，没有视察到从细胞层到无细胞层的细胞迁徙（图4a），这表明我们的系统具有将分歧组织密封在一路的潜力，这是确保伤口愈合和组织再生的根基特征。为了进一步研究这种或者性，我们然后将染料标记的软骨细胞和染料标记的成骨细胞封装在两个分歧的海藻酸钙水凝胶块中，然后使用纳米片颗粒将它们粘合在一路，以供应骨软骨保持的简洁模拟，在7天后未视察到两层之间的细胞迁徙（图4b）。这些进展表明，使用纳米片颗粒作为粘合剂为行使复杂的组织工程模型的构建供应了一条有进展的途径，该方式使用藻酸钙水凝胶来再生分歧的组织。最后，还使用牛软骨组织索求了纳米片颗粒凝胶的粘附能力。切下组织并立刻用纳米片颗粒笼盖，并连结粘附2小时。然后用搭接剪切试验测量粘合能，显露出66±18kPa的剪切强度，固然高于自然软骨组织（433±360kPa），但仍高于临床上修复半月板扯破的最低阈值。

图4.使用PLLA35-b-PDMAEMA315血小板，海藻酸钙NCs的细胞相容性和软骨组织的粘附性。

总结与瞻望:

本文系统探究了纳米颗粒的外形在界说水凝胶材料的最终机能以及用作胶水时的粘合强度方面起着要害感化。行使CDSA的功能作为掌握纳米粒子的外形，巨细和化学性质的轻便通用对象为调节水凝胶的机械机能供应了很多手段。含有聚合物纳米片颗粒的NCs具有增加藻酸盐凝胶强度，自我修复并促进在统一凝胶的两个新切割外观上粘附的能力，这提醒了在体内改善藻酸钙水凝胶机能所存在的或者性，而且这种粘附材料的精巧生物相容性为其在包罗组织工程和药物输送的研究供应了新的思路和伟大的应用潜力。

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