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類淀粉樣蛋白質組裝體促進骨修復

發布者:張偉  發布時間:2017-12-04 17:38:43  瀏覽:

  生物大分子如多肽和蛋白質以beta折疊結構為核心而形成的淀粉樣積聚體(amyloid)是存在于自然界的一類重要的生物高分子組裝結構。目前大量的研究表明其與多種神經退行性疾病如阿爾茨海默、帕金森癥等有重要關系。除了研究其致病機制和相應的診療方法之外,最近的研究發現還有一大類amyloid組裝體不僅沒有生物毒性,而且可以作為一類嶄新的功能性生物材料而應用于包括生物醫藥、先進材料制造在內的諸多高技術領域。事實上,即便是自然界,也在使用諸多的amyloid結構和相應的材料來實現其一系列無關疾病的有益生物功能,如結構材料、信息傳導、催化載體和蛋白質儲藏等。此類amyloid材料表現出優異的生物相容性、高的力學性能、豐富的界面功能基團和組裝形態,從而有望在組織工程、藥物緩釋、生物傳感器、模板導向納米材料合成、膜材料、(有機/無機雜化)復合材料、光電材料、仿生黏附等領域產生重要影響。

  日前,陜西師范大學楊鵬課題組和天津醫科大學口腔醫學院張旭課題組成功的以生物大分子溶菌酶的類淀粉樣組裝體(Phase-Transited Lysozyme Nanofilm, PTL)為黏附基底和礦化模板,建立了一類普適性的生物礦化路線,以“Bottom-up”方式在體外仿生礦化制備出機械性能優異、生物活性良好的羥基磷灰石材料(HAp@PTL),并將其穩定黏附于各類大小和形態各異的支架材料表界面。通過體外細胞實驗以及體內動物實驗相繼證明了以PTL為活性礦化模板制備的HAp@PTL具有優異的細胞相容性以及骨傳導性能,從而可成功的應用于以大鼠為模型的硬骨組織修復中(圖1)。該工作發表在材料學權威期刊Adv. Funct. Mater.(先進功能材料)上。

圖1. 基于類淀粉樣溶菌酶組裝薄膜 (PTL nanofilm) 的HAp涂層制備示意圖(左)及其在各類材料表界面的形成與黏附。

  HAp@PTL之所以能夠穩定黏附于各類材料表界面,正是由于PTL納米膜內部具有豐富的類淀粉樣蛋白積聚結構。這種蛋白積聚結構模擬了存在于自然界的淀粉樣蛋白和微生物被膜在組織或固體表界面的黏附,從而有望取代聚多巴胺體系成為一類新的無色透明仿生界面黏附材料。利用PTL膜表面豐富的功能性基團(羥基、羧基、氨基等)來模擬參與自然界生物礦化的蛋白質層的活性位點,可進一步螯合鈣離子,并在體外通過模擬體液(SBF)浸泡的方式實現了生物活性HAp晶體的取向礦化(圖2)。進一步,基于前期研究工作發現的PTL 納米薄膜所具有的敏感紫外及電子束響應性,可通過光學曝光方式得到微納米級圖案的PTL納米薄膜,再通過仿生礦化過程可制備出圖案化的HAp涂層材料。


圖2. HAp@PTL材料在3D復雜結構內外表面的礦化(a) 制備示意圖; (b) 3D復雜結構內外表面的HAp涂層制備

  通過上述方法制備的HAp@PTL涂層材料不僅具有普適的黏附性,而且還具有優異的機械性能。實驗結果表明將制備好的HAp@PTL涂層材料經過50赫茲,200瓦的超聲波清洗器超聲1小時后,仍有98%的HAp@PTL粘附在鈦合金表面。用撕拉力大于1.23 N/cm的標準商用3 M膠帶多次撕拉HAp@PTL涂層材料,發現在反復撕拉前后HAp涂層的表面形貌沒有發生明顯變化,仍有92%的涂層穩定粘附在鈦合金表面。利用摩擦試驗機在接近人體體溫36.5℃以及轉速70 r/min的條件下,對HAp@PTL涂層材料施加了接近于實際骨接觸壓力(0.25-0.8 Mpa)的外力載荷(F=10 N-25 N)。通過實驗計算發現,不論是在干摩擦還是SBF潤滑摩擦的條件下,HAp@PTL涂層材料的累計磨損量和磨損率都比對照樣品(空白鈦合金表面直接旋涂HAp晶體)減少約10倍(圖3)。

  在此基礎上,通過體外CCK-8以及ALP細胞活性實驗對HAp@PTL材料的細胞活性進行了評價。發現對比于空白鈦片以及未結合HAp的PTL納米膜,HAp@PTL 材料對骨髓間質干細胞增殖以及成骨分化能力均有明顯的促進作用。進一步,通過設計動物模型將HAp@PTL材料植入到大鼠皮下進行體內培養,并在4-8周后進行組織切片觀察。發現對比于空白鈦片以及未結合HAp的PTL納米膜,HAp@PTL 材料同時具備優異的骨誘導性以及生物安全性,可以作為一種組織修復材料來誘導新組織的形成和骨的礦化(圖4)。


圖3. HAp@PTL材料的機械性能 (a) 摩擦實驗示意圖; (b-d) HAp@PTL涂層材料對比于空白對照組的磨損率和磨損量對比。


圖4. HAp@PTL材料的細胞形態(a)及動物組織切片染色(b, c)(8周體內培養后)。

  陜西師范大學化學化工學院楊鵬課題組組建于2012年底,主要致力于蛋白質類淀粉樣組裝的多功能仿生界面材料的基礎和應用研究。經過幾年的努力,已取得了一定的系統性研究成果,已在Macromol. Biosci. (2012, 12, 1053)、Chem. Rev. (2013, 113, 5547)、Adv. Mater. (2016, 28, 579, VIP paper)、Adv. Mater. (2016, 28, 7414, Frontispiece)、Angew. Chem. Int. Ed. (2017, 56, 9331, Hot paper)、Angew. Chem. Int. Ed (2017, 56, 13440)、Adv. Funct. Mater. (DOI: 10.1002/adfm.201704476) 等權威期刊發表綜述和研究論文五十余篇。

  該論文共同第一作者為哈媛和楊潔,共同通訊作者是張旭和楊鵬。該課題得到了國家自然科學基金委 (No. 51673112, 21374057, 51303100, 81571016) 等項目的資助。Advanced Functional Materials (先進功能材料)是由德國Wiley公司出版的材料學和化學領域的頂尖期刊之一,2016年影響因子為12.123。

Phase-Transited Lysozyme as a Universal Route to Bioactive Hydroxyapatite Crystalline Film

Yuan Ha,[1, a] Jie Yang,[2, a] Fei Tao,[1] Qian Wu,[1] Yunjia Song,[2] Haorong Wang,[2] Xu Zhang,[2], * Peng Yang[1], *

Adv. Funct. Mater.

DOI: 10.1002/adfm.201704476   Publication Date (Web): 27 Nov 2017

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