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东华大学武培怡教授课题组《Adv. Funct. Mater.》:具有诊疗功能的仿生离子皮肤
2020-11-21  来源:高分子科技

  在智能皮肤材料的研究中,基于水凝胶或离子弹性体的离子皮肤在高透明度、本征可拉伸、类生物组织的离子传导、多模式感知功能、可回收利用等方面已经显示出了巨大优势。此前,武培怡教授课题组报道了通过调节多重分子间非共价相互作用,实现了仿生离子皮肤的力学性质的广谱可调(Adv. Mater., 2017, 29, 1700321; Nat. Commun. 2018, 9, 1134);通过3D打印微结构,提高了仿生离子皮肤的感知灵敏度 (Mater. Horiz., 2017, 4, 694-700);通过调节水凝胶的亲疏水相互作用,实现了仿生离子皮肤光学-电学的双重响应(ACS Nano, 2018, 12, 12, 12860-12868);通过基于电阻、电容、电压等多模式信号的分辨,实现了对环境应力、应变、温度、湿度乃至不明液体的同步识别与感知 (Nat. Commun. 2019, 10, 3429; Mater. Horiz., 2019, 6, 538-545);通过绿色食品材料的组装,实现了仿生离子皮肤的可回收和可重构(Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 1908018)。但是目前的研究很少关注到仿生皮肤与周围环境和皮肤组织之间的界面相互作用。特别地,基于传统合成水凝胶的离子皮肤在体外往往容易脱水,并且缺乏与生物组织的物质传输通道。


  这项工作开发了一种生物启发的水凝胶来应对这一关键挑战。水凝胶主要由天然丝素蛋白和甜菜碱类似物等保湿因子组成,可锁定水,利用矿物离子以传输电信号,通过浓度梯度差在生物皮肤表面构筑物质传输通道,实现小分子药物从非生物界面向生物组装的无创定向传输。这一仿生离子皮肤在空气环境条件中稳定,在哺乳动物皮肤上具有很强的粘结性和水合作用,能够进行非侵入性的点对点诊断与治疗。特别是,相比于传统的注射给药,采用这种仿生离子皮肤进行定点给药,具有增强的治疗功效并可极大减少副作用。这一工作发展了新一代的具有更优良生物相容性和生物安全性的仿生离子皮肤,并且实现了人机界面更好融合以及智能诊疗的先进医学功能,为未来的生物离子电子学提供启发。相关工作近期被Advanced Functional Materials杂志接收。


  水凝胶配方的灵感来自天然动物的皮肤和植物的叶子。它们由超过10%的水分组成,并且富含保湿因子,例如氨基酸,甜菜碱和生物矿物质离子。这些保湿因子构建了超分子网络来储备水和对抗干旱。同时,邻近的生物组织通过离子动态分布,浓度梯度和多层级通道实现信息和营养物质的交换。受到这些自然现象的启发,我们的仿生离子皮肤主要由生物提取的丝素蛋白、生物相容性良好的甜菜碱类似物和生物矿物质钙离子组成(图1)。丝素蛋白是在钙离子的帮助下从家蚕丝中提取的。它富含的多种氨基酸,例如甘氨酸(46.2%),丙氨酸(29.7%)和丝氨酸(10.8%)等,本身也是人体皮肤中必不可少的保湿成分。而甜菜碱广泛存在于耐旱植物中,例如菠菜,麦芽和蘑菇,在这里我们选择其人工类似物磺基甜菜碱,其两性离子结构与天然甜菜碱相似。而钙离子不仅在溶解丝素蛋白中起到关键作用,其本身也具有一定的吸湿性,有助于将水保留在物理交联网络中。


图1. 具有保湿因子、矿物离子以及物质传输通道的仿生离子皮肤的示意图、力学性能和分子间相互作用。


  由这一水凝胶所形成的仿生离子皮肤,在室温、人体温度附近以及多种环境湿度下都具有良好的保湿效果。当把仿生离子皮肤直接贴在生物皮肤表面,可以迅速牢牢地粘结,不会造成过敏,还可以隔热、抗菌,并且由于其透明光滑的外观,还有一定的抚平皱纹效果。通过荧光染料分子模拟,可以看到这一仿生离子皮肤可以实现水溶性小分子药物对于生物皮肤的无创定向输运。


图2. 仿生离子皮肤的含水量、对于人体皮肤的粘结性、以及与生物皮肤之间的物质传输通道。


  结合3D打印的多层加工等技术,可以制备不同结构和诊断功能的仿生离子皮肤,可以感知肢体运动、实现灵敏高效的心电图信号采集,还可以实时分析生物体整体以及局部的微小温度变化,对生物表面肿瘤部位的异常温度进行示警。


图3. 仿生离子皮肤的生物信号诊断功能。


  进一步地,以肿瘤模型为例,仿生离子皮肤还实现了定点高效的给药治疗功能。小分子水溶性顺铂药物能够通过离子皮肤向生物皮肤渗透,实现对皮下肿瘤组织的富集效果,增强疗效,同时减少进入血液,从而降低副作用。经过16天的治疗,小鼠体重有所增加,而皮下肿瘤组织的质量减少超过了为未治疗组的一半,甚至由于直接注射的疗效,并且对于心脏、肝、肾、肺、和脾都无明显副作用和损伤。


图4. 仿生离子皮肤的局部治疗功能。


图5. 仿生离子皮肤治疗后的小鼠健康情况评估。


  这项工作开发了具有诊疗功能的新一代离子皮肤,将传统智能皮肤的功能从简单的感知诊断拓展到了高效治疗,而且是点对点的完全无创给药。这为将来便携可穿戴智慧医疗系统的开发提供了一条新途径,未来人们也可以根据自己的需要不断优化材料设计并开发更多的诊疗模型。


  该课题得到了国家自然科学基金重点项目 (51733003) 的资助与支持。文章共同第一作者为雷周玥朱文成博士,通讯作者为武培怡教授


  论文链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202008020

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(责任编辑:xu)
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