智能温敏型离子液体/胶原蛋白水凝胶的构建及应用初探

Smart temperature-sensitive hydrogels are one of the hot products of soft materials; its biological efficacy mainly depends on the processing and the composition of materials. Different properties of original materials and process parameters would result in the significant change of structural of the hydrogels, of course, leading to the big difference on the plastic performance, sensitive properties and biological efficacy. Changes in the conformation of hydrogels by ionic liquid assisted enzymatic hydrolysis, of course, cause the difference on the sensitivity and responsiveness. The target is to reveal to the correlation between the process parameters (different proportions, pH, temperature during the processing of human-like collagen, ionic liquid 1- ethyl -3- methyl imidazole acetate and MTGase) and materials physical/chemical properties, surface morphology, plasticity, cell biological and degradation properties. To interpretation the correlation of the flexible molecular docking of chemically modified human like collagen solution, ionic liquid dissolving human-like collagen, spromoting enzyme activity and aggregation of the enzyme solution, leading to the hydrogel conformational change. To explain the relationship between augmentations of the hydrogel after docking and the contribution of the soft tissue, drug loading system and stem cell. This study would give a theoretical guidance and basis on the soft materials, industrial and biomedical applications.

智能温敏型水凝胶是目前软物质材料产品的研究热点之一，智能型软材料的生物学功效取决于材料本身、加工过程和工艺参数。不同性能的原材料及工艺参数导致材料的内部结构差异很大，从而引起可塑性能，敏感性能和生物学功效的变化。通过离子液体辅助酶解法改变水凝胶的体系构象变化，从而引起敏感性、响应性的变化。本研究旨在阐释水凝胶在构建过程中，类人胶原蛋白溶液，离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（[EMIM] [AC]）和微生物转谷氨酰胺酶（MTGase）的不同配比、pH和温度等与材料的物理化学特性、可塑性能、表面形貌、细胞形容性以及降解性能的关系，解释经化学修饰类人胶原蛋白溶液后的柔性分子对接，离子液体对类人胶原蛋白溶解、促进酶活和酶液的促聚集与水凝胶构象变化的关系；阐释对接后的水凝胶对软组织填充、载药体系、干细胞学方面的贡献。这项研究为软材料、工业化、生物医学应用提供理论依据。

目前，可注射水凝胶用于组织工程和药物治疗将面临着各种挑战，比如形状适应性、封装效率、生物活性的控制或释放等，甚至在肿瘤微环境中可以抑制肿瘤细胞的生长。我们要想解决这些问题，需要开发“智能”材料来构建支架，应用到生物体内，使其完全达到技术的要求。 .1.构建三维支架水凝胶，由离子液体1-乙基-3-甲基咪唑乙酸（[EMIM] [AC]）和微生物转谷氨酰胺酶（MTGase）交联类人胶原蛋白。其理化性能检测包括反应机制探索、三维结构、膨胀率、表面形貌、酶解率、机械强度。结果显示：MTGase主要起催化作用，作用位点在酰基供体(γ-羧基在γ残基中)和酰基受体(氨基)，生成相对于蛋白酶抗性的分子间或分子内的聚赖氨酸等肽键。水凝胶具有30~100℃的温度敏感性、孔径大小约10~20 μm，压缩强度为1~10KPa，六周后降解率达到70%。.2.作为一种新型的智能水凝胶材料，进行细胞学实验，选择4中不同种类的细胞系，包括L929，3T3-L1，HepG2和MKN45细胞系，分别进行细胞粘附实验。结果显示，智能水凝胶对成纤维细胞3T3-L1的增殖良好，细胞毒性小，水凝胶适合用于生物学研究。细胞粘附实验结果显示水凝胶多孔的特性，更易于正常细胞（L929和3T3-L1）的生长，然而对于肿瘤细胞（HepG2和MKN45）具有一定的抑制作用。.3.采用体内动物实验验证离子液体辅助酶解方法制成的水凝胶的组织相容性，将水凝胶注射于小鼠背部皮下组织，结果显示水凝胶在体内的降解速率可控，并对小鼠皮下组织炎症反应较小，适合体内生物学探索研究，可以应用到组织工程领域。.4.采用离子液体辅助酶解方法制成的水凝胶与离子液体不参与的水凝胶比较，其具有稳定性良好、降解时间延长2~3倍，生物学效价高、良好的机械弹性，良好的细胞载体材料，而且所述的水凝胶完全无毒副作用，适合于皮肤填充。该制备方法合成路线短，工艺简单。